Tesis Aislacion Sismica,BFV MFJ

8/16/2019 Tesis Aislacion Sismica,BFV MFJ

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UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA

FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“ANÁLISIS COMPARATIVO DE COMPORTAMIENTO

Y COSTOS DE ESTRUCTURAS SIMPLES

UTILIZANDO AISLAMIENTO SISMICO ENDIFERENTES CONDICIONES DE SUELO”

TESIS PARA OPTAR POR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIEROCIVIL

Presentado por:

Flores Jimenez, Mirko FernandoFlores Vargas, Brayans Jorge

Asesor:Mag. José Acero Martínez

Tacna – PerúOctubre 2015


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FACULTAD DE INGENIERÍA – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“ANÁLISIS COMPARATIVO DE COMPORTAMIENTO Y COSTOS DE ESTRUCTURAS SIMPLES UTILIZANDO

AISLAMIENTO SISMICO EN DIFERENTES CONDICIONES DE SUELO”.


AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a todos los Ingenieros docentes que nos brindaron susconocimientos en la Universidad Privada de Tacna, durante los casi cincoaños que permanecimos en las aulas de la Escuela de Ingeniería Civil. Unagradecimiento muy especial al Mag. José Alberto Acero Martínez, undocente y amigo que nos apoyó en forma incondicional, gracias por susconsejos, su tiempo y experiencia; sin su apoyo no podríamos haberculminado esta tesis.

Al Ingeniero Angel Baldor Coila, por la información brindada en formadesinteresada y el compartir de su conocimiento resolviendo dudas y susconsejos, gracias. A la Ingeniera Dina Cotrado Flores, por su apoyodurante nuestra vida universitaria y en el inicio de la elaboración de estaTesis.

Todo esto no pudo ser posible sin el apoyo de nuestras familias, nuestrasmadres, padres y hermanos de la familia Flores Vargas y la familia FloresJiménez, a los que les agradecemos por su comprensión y pacienciadurante todos estos años.


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DEDICATORIA

A MIS PADRES

Quienes sabiamente me supieron guiar en la vida,

siendo parte de mis planes, alegrías y tristezas.

A MIS HERMANAS Y MI SOBRINO

Quienes alegran mis días y me dan fuerzas para

seguir luchando por mis sueños.

A MIS AMIGOS Y AMIGAS

Con quienes he compartido mis ideas, sueños y

risas, y en especial a quienes me apoyaronincondicionalmente.

MIRKO FLORES JIMENEZ


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DEDICATORIA

A MIS PADRES

Por el apoyo constante en todo momento y ser parte

siempre de mis alegrías y tristezas, y de mis logros y

fracasos.

A MIS HERMANOS

Que son con los que comparto día a día y entre los

dos forma un balance entre alegrías y consejos.

A MIS AMIGOS

Con quienes he compartido mis ideas, risas, yvivencias, en especial a quienes están ahí siempre

que los necesito.

BRAYANS FLORES VARGAS


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PRÓLOGO

En este proyecto se desarrolla un material educativo el cual permita a loslectores poder comprender el comportamiento de las estructuras al seraisladas sísmicamente.

Las estructuras estudiadas fueron idealizadas como edificacionesesenciales de categoría A1 según la Propuesta de Norma de DiseñoSismorresistente E. 030, las cuales según esta propuesta de normadeberán poseer aislamiento sísmico en la base, además este estudio serealizó para las edificaciones de la costa las cuales presentan una mayorfuerza sísmica de diseño.

Para lograr esto se realizaron hojas de cálculo en MathCad donde serealizan todos los cálculos necesarios para así poder obtener losresultados de manera veloz de las diferentes estructuras además de quepermite al lector utilizar el software para hacer un Análisis DinámicoEspectral a pórticos de concreto armado.

Además se realizaron 48 modelos convencionales y 48 modelos aisladosen el programa computacional ETABS 2013 variando así su rigidez ynúmero de pisos, ya que esto nos permitirá observar y comprender cómo

es que varían las propiedades de las diferentes estructuras al ser o noaisladas sísmicamente.

Se propone una metodología alternativa para poder utilizar la norma ASCE 7-10 con los parámetros de la Propuesta de Norma de DiseñoSismorresistente E. 030, la cual es de mucho beneficio ya que losresultados obtenidos con esta metodología fueron coincidentes a losaceptables dentro de los parámetros de esta.

Los resultados obtenidos de los diferentes modelos fueron comparados y

así se llegó a la conclusión de en qué casos es óptimo el uso deaisladores sísmicos, también se analizó el uso de catálogos para hacer eldiseño de los aisladores según el fabricante.

Esta tesis está organizada en diez capítulos y un apéndice distribuidosde la siguiente forma:

En el Capítulo I, “INTRODUCCIÓN”, se plantea el problema, el cual esque el Perú es una zona altamente sísmica, por lo tanto el uso deaisladores sísmicos sirve para proteger la integridad de las edificaciones,


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se describen los antecedentes de trabajo y se explica la justificación deesta investigación. Además, se muestran los objetivos, alcances y

metodología que se utilizará.

En el Capítulo II, “FUNDAMENTOS Y SISTEMAS DE AISLACIÓN”, sepresenta los principios del aislamiento de base, los tipos de aislaciónbasal y la aplicación que han tenido en varios países incluido el Perú.

En el Capítulo III, “CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL”, se explica lasfórmulas aplicadas para obtener la respuesta de las edificaciones simples,se presenta la modelación computacional en MathCad 15 y en Etabs2013, y se compara los resultados obtenidos en estos dos programas

computacionales tanto para las estructuras convencionales como lasaisladas sísmicamente.

En el Capítulo IV, “ ANÁLISIS Y DISEÑO DE LOS MODELOSCONVENCIONALES”, se dan a conocer los parámetros de diseñoutilizados para las estructuras convencionales, los tipos de edificacionesusadas y además todos los cálculos obtenidos con el programacomputacional Etabs 2013.

En el Capítulo V, “NORMA DE AISLAMIENTO BASAL, UNA NUEVA

FILOSOFÍ A DE DISEÑO”, se describe la aplicación de la propuesta denorma de Diseño Sismorresistente E. 030 en conjunto con la norma ASCE/SEI 7-10.

En el Capítulo VI, “AISLAMIENTO BASAL DE LOS MODELOSESTRUCTURALES”, se da una propuesta paso a paso de diseño deaisladores sísmicos, además de una hoja en MathCad con todo elprocedimiento utilizado.

En el Capítulo VII, “ANÁLISIS Y DISEÑO DE LOS MODELOS

ESTRUCTURALES AISLADOS”, se dan a conocer los parámetros dediseño utilizados para las estructuras aisladas, los tipos de edificacionesusadas y además todos los cálculos obtenidos con el programacomputacional Etabs 2013.

En el Capítulo VIII, “ANÁLISIS COMPARATIVO Y DISCUSIÓN DERESULTADOS”, se realiza una comparación de los periodos, distorsionesangulares, fuerzas cortantes, desplazamientos máximos, diámetro de losaisladores y pseudoaceleración de los diferentes modelos realizados,para de esta manera obtener los casos óptimos en que se pueda utilizar


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los aisladores sísmicos en las edificaciones.

En el Capítulo IX, “ ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTOS”, se realizauna comparación entre los costos de edificaciones fijas y edificacionescon aislamiento basal con aisladores HDR, utilizando el costo por metrocuadrado de edificaciones hospitalarias, para de esta manera obteneruna relación entre estos.

Finalmente, en el Capítulo X, “CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES”, se escriben las conclusiones del trabajo y seresumen los resultados de la investigación. Además, se muestran lasrecomendaciones para futuras líneas de investigación sobre el uso de los

aisladores sísmicos.

El apéndice, “Catálogo DIS-CDV Aislamiento sísmico para edificaciones ypuentes”, contiene información, proyectos realizados por la empresa,preguntas frecuentes sobre aisladores y propiedades técnicas de losaisladores que fabrican.


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CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS ................................................................................ i

DEDICATORIA .......................................................................................... ii

PRÓLOGO................................................................................................ iv

CONTENIDO ........................................................................................... vii

LISTA DE FIGURAS ............................................................................... xii

LISTA DE TABLAS ............................................................................... xvii

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes Generales ................................................................. 1

1.2 Objetivos y Alcances ....................................................................... 3

1.2.1 Objetivos Generales ............................................................... 3

1.2.2 Objetivos Específicos ............................................................. 3

1.2.3 Alcances ................................................................................. 3

1.3 Metodología ..................................................................................... 4

CAPÍTULO II FUNDAMENTOS Y SISTEMAS DE AISLACIÓN

2.1 Antecedentes Generales ................................................................. 7

2.2 Principios del Aislamiento de Base .................................................. 9

2.3 Tipos de Aislación Basal ................................................................ 10

2.3.1 Aislador de base de fricción.................................................... 13

2.3.2 Sistema pendular friccionante (sistema FPS) ......................... 16

2.3.3 Apoyo de neopreno reforzado (sistema HDR) ........................ 18

2.3.4 Aislador elástico-friccionante (sistema R-FBI) ........................ 20


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2.3.5 Aislador de la “Electricite de France” (sistema EDF) .............. 21

2.3.6 Aislador neozelandés o Lead Rubber Bearing

(sistema NZ o LRB) ......................................................................... 24

2.3.7 Aislador deslizante elástico-friccionante (sistema SR-F) ........ 26

2.3 Experiencia Mundial ...................................................................... 29

2.3.1 Aislamiento de Base en los Estados Unidos .......................... 30

2.3.2 Aislamiento de Base en Japón ............................................... 32

2.3.3 Aislamiento de Base en Europa ............................................. 34

2.3.4 Aislamiento de Base en Nueva Zelanda ................................ 35

2.3.5 Aislamiento de Base en México .............................................. 36

2.3.6 Aislamiento de Base en Chile ................................................. 37

2.3.7 Aislamiento de Base en Perú ................................................. 40

CAPÍTULO III: CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL

3.1 Caracterización de los Modelos Estructurales Simples ................. 44

3.2 Caracterización de los Modelos Estructurales Simples Aislados ... 67

3.2.1 Teoría lineal del Aislamiento de Base .................................... 67

3.2.2 Estructuras de un grado de libertad ........................................ 68

3.2.3 Estructuras de varios grados de libertad ................................ 74

3.3 Análisis espectral ........................................................................... 75

3.3.1 Métodos de combinación espectral de la respuesta modal .... 76

3.4 Modelación Computacional con MathCad ..................................... 78

3.5 Modelación Computacional en ETABS .......................................... 93

3.5.1 Modelación de Estructuras Simples ...................................... 93

3.5.2 Comparación de resultados entre los Softwares MathCad y

ETABS 2013 en el análisis de la Estructura Simple. .................... 104


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3.5.3 Modelación de Estructuras Convencionales ......................... 105

3.5.4 Modelación de Estructuras Aisladas Simples ....................... 115

3.5.5 Comparación de resultados entre los Softwares MathCad y

ETABS 2013 en el análisis de la Estructura Simple Aislada. ........ 119

3.5.6 Modelación de Estructuras Aisladas Convencionales .......... 120

CAPÍTULO IV: ANÁLISIS Y DISEÑO DE LOS MODELOS

CONVENCIONALES

4.1 Análisis y Diseño de la Estructura Convencional ......................... 128

4.1.1 Norma E. 020 Cargas ........................................................... 129

4.1.2 Norma E. 030 Diseño Sismorresistente ................................ 129

4.1.3 Norma E. 060 Concreto Armado .......................................... 140

4.2 Características de los modelos convencionales .......................... 141

CAPÍTULO V: NORMA DE AISLAMIENTO BASAL, UNA NUEVA

FILOSOFÍA DE DISEÑO

5.1 Antecedente Generales ............................................................... 167

5.2 Filosofía de Diseño ...................................................................... 168

5.3 Procedimientos de Análisis .......................................................... 170

5.4 Aplicaciones Generales de Normativas Internacionales .............. 173

CAPÍTULO VI: AISLAMIENTO BASAL DE LOS MODELOSESTRUCTURALES

6.1 Condiciones Generales en el Diseño de la Aislación Basal ......... 177

6.2 Estudio de Alternativas de Aislación Basal para el modelo

xestructural .................................................................................... 178

6.2.1 Diseño de los Sistemas de Aislación .................................... 178


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6.2.2 Procedimiento de Diseño del Aislador .................................. 179

6.3 Diseño del Aislador ...................................................................... 184

CAPÍTULO VII: ANÁLISIS Y DISEÑO DEL LOS MODELOS

ESTRUCTURALES AISLADOS

7.1 Análisis Modal de los modelos estructurales .............................. 190

7.1.1 Norma E. 020 Cargas ........................................................... 191

7.1.2 Norma E. 030 Diseño Sismorresistente ................................ 191

7.1.3 Norma E. 060 Concreto Armado .......................................... 197

7.2 Características de los modelos convencionales .......................... 197

CAPÍTULO VIII: ANÁLISIS COMPARATIVO Y DISCUSIÓN DE

RESULTADOS

8.1 Análisis comparativo de las Estructuras ...................................... 235

8.1.1 Edificaciones de 3 Pisos ....................................................... 236



8.2 Análisis según el Diseño de los Aisladores.................................. 249

CAPÍTULO IX: ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTOS

9.1 Costos de aisladores HDR .............................................................. 250

9.2 Comparación de costos estructurales............................................... 251

CAPÍTULO X: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

10.1 Conclusión General ................................................................... 254

10.2 Conclusiones Específicas .......................................................... 254


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10.3 Recomendaciones ..................................................................... 256

CAPÍTULO XI: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

11.1 Libros y Normas ......................................................................... 257

11.2 Presentaciones y Papers ........................................................... 258

11.3 Tesis .......................................................................................... 259

APÉNDICE

Catálogo DIS-CDV Aislamiento sísmico para edificaciones y puentes .. 260


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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 (a) Respuesta de la estructura convencional frente a unsismo severo, (b) Respuesta de una estructura con aislamiento de

base ........................................................................................................... 8

Figura 2.2 Transmisión de los movimientos del suelo ............................... 9

Figura 2.3 Aceleración y desplazamiento de las estructuras ................. 10

Figura 2.4 Edificio con aislamiento de base. (a) Esquema.

(b) Modelo dinámico ................................................................................ 12

Figura 2.5 Sistema de aislamiento por fricción. (a) Esquema.


Figura 2.6 Conexión FPS. (a) Esquema. (b) Modelo dinámico ............... 17

Figura 2.7 Apoyo de neopreno reforzado (a) Esquema.


Figura 2.8 Conexión elástico-friccional (a) Esquema.


Figura 2.9 Conexión EDF (a) Esquema. (b) Modelo dinámico ................ 22

Figura 2.10 Aislador neozelandés o Lead Rubber Bearing.

(a) Esquema. (b) Modelo dinámico .......................................................... 24

Figura 2.11 Foothill Communities Law and Justice Center ..................... 31

Figura 2.12 Fire Department Command and Control Facility .................. 31

Figura 2.13 University of Southern California Teaching Hospital ............ 32

Figura 2.14 Tohoku Power Electric Company ......................................... 33

Figura 2.15 The Union House ................................................................. 36


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Figura 2.16 Edificio aislado Comunidad Andalucía ................................. 37

Figura 2.17 Aislador sísmico Edificio Andalucía...................................... 38

Figura 2.18 Hospital Aislado (Centro San Carlos, U. Católica) ............... 39

Figura 2.19 Construcción del Edificio San Agustín de la Facultad

de Ingeniería de la Universidad Católica ................................................. 39

Figura 2.20 Edificio Aislado del Nuevo Hospital Militar de la Reina ........ 40

Figura 2.21 Centro de Investigación FIC-UNI ......................................... 41

Figura 2.22 Atlantik Ocean Tower .......................................................... 41

Figura 2.23 Edificio de Oficinas de GyM ................................................. 42

Figura 2.24 Edificio Ecológico Torre Zero ............................................... 42

Figura 2.25 Biblioteca Pontificia Universidad Católica del Perú.............. 43

Figura 3.1 Modelo de un vano para representar un edificio simple ......... 46

Figura 3.2 Modelo de una columna para representar un

edificio simple .......................................................................................... 47

Figura 3.3 Modelo de masas concentradas y resortes para

representar un edificio simple .................................................................. 47

Figura 3.4 Edificio con amortiguación, modelo matemático y

diagrama de cuerpo libre ......................................................................... 58

Figura 3.5 Estructura de un grado de libertad con aislamiento

de base y modelo dinámico ..................................................................... 68

Figura 3.6 Espectro de repuesta sísmica ................................................ 76

Figura 3.7 Configuración de grilla en plano y elevación MES ................. 94

http://www.pucp.edu.pe/http://www.pucp.edu.pe/http://www.pucp.edu.pe/


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Figura 3.8 Definición de las propiedades de los materiales MES ........... 95

Figura 3.9 Definición de las secciones para columnas MES ................... 96

Figura 3.10 Definición de las secciones para vigas MES ........................ 97

Figura 3.11 Modelamiento de los elementos estructurales MES ............ 98

Figura 3.12 Asignación de restricciones MES ......................................... 98

Figura 3.13 Definición de los patrones de carga MES ............................ 99

Figura 3.14 Asignación de cargas MES .................................................. 99

Figura 3.15 Asignación de diafragmas MES ......................................... 100

Figura 3.16 Definición de la fuente de masa MES ................................ 100

Figura 3.17 Definición del tipo de análisis modal MES ......................... 101

Figura 3.18 Definición de la dirección de análisis de la

estructura MES ...................................................................................... 101

Figura 3.19 Periodos de la estructura MES .......................................... 102

Figura 3.20 Masa de la estructura por piso MES .................................. 102

Figura 3.21 Definición del espectro de respuesta MES ........................ 102

Figura 3.22 Definición del caso de carga MES ..................................... 103

Figura 3.23 Desplazamientos y fuerzas de corte MES ......................... 103

Figura 3.24 Distribución de elementos estructurales de los

modelos sin aislar .................................................................................. 105

Figura 3.25 Definición de las secciones para columnas MEC .............. 106

Figura 3.26 Definición de las secciones para vigas MEC ..................... 107


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Figura 3.27 Modelamiento de los elementos estructurales MEC .......... 107

Figura 3.28 Asignación de restricciones MEC....................................... 108

Figura 3.31 Definición de los patrones de carga MEC .......................... 108

Figura 3.29 Asignación de cargas vivas y muertas MEC ...................... 110

Figura 3.30 Asignación de diafragmas MEC ......................................... 110

Figura 3.32 Definición de la fuente de masa MEC ................................ 111

Figura 3.33 Definición del tipo de análisis modal MEC ......................... 111

Figura 3.34 Definición de la dirección de análisis de la

estructura MEC ...................................................................................... 112

Figura 3.35 Definición del espectro de respuesta MEC ........................ 112

Figura 3.36 Definición del caso de carga MEC ..................................... 113

Figura 3.37 Distorsiones entre piso, periodos, fuerzas cortantesy aceleraciones MEC ............................................................................. 114

Figura 3.38 Base para la modelación de los aisladores MEAS ............. 115

Figura 3.39 Creación de los aisladores MEAS ...................................... 115

Figura 3.40 Definición de las propiedades de los aisladores MEAS ..... 117

Figura 3.41 Definición del caso de carga MEAS ................................... 118

Figura 3.42 Base para la modelación de los aisladores MEAC ............ 120

Figura 3.43 Creación de los aisladores MEAC...................................... 121

Figura 3.44 Definición de las propiedades de los aisladores MEAC ..... 123

Figura 3.45 Efecto P-Delta en aisladores MEAC .................................. 124


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Figura 3.46 Efecto P-Delta en base y parte superior del

aislador MEAC ....................................................................................... 125

Figura 3.47 Definición de los diferentes casos de cargas de

sismo MEAC ......................................................................................... 126

Figura 4.1 Distribución de elementos estructurales de los

modelos aislados ................................................................................... 128

Figura 5.1 Definición de parámetros de espectro de diseño para la

zona 4, según el proyecto de norma de diseño sismorresistenteE. 030 del RNE ...................................................................................... 172

Figura 5.2 Valores de SD1 para diferentes tipos de suelo

pertenecientes a la zona 4 del Perú ....................................................... 174

Figura 8.1 Porcentaje de mejora de la distorsión angular,

en edificaciones de 3 pisos .................................................................... 236

Figura 8.2 Porcentaje de mejora de la fuerza cortante en la base,


Figura 8.3 Porcentaje de mejora de la pseudoaceleración,











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LISTA DE TABLAS

Tabla 4.1 Cargas vivas mínimas repartidas para hospitales ................. 129

Tabla 4.2 Factores de zona ................................................................... 129

Tabla 4.3 Clasificación de los perfiles de suelo ..................................... 132

Tabla 4.4 Factor S ................................................................................. 132

Tabla 4.5 Periodo "Tp" y TL" ................................................................. 133

Tabla 4.6 Categoría de las edificaciones ............................................... 134

Tabla 4.6.1 Servicios de salud............................................................... 135

Tabla 4.7 Categoría y estructura de las edificaciones ........................... 136

Tabla 4.8 Categoría y regularidad de las edificaciones ......................... 136

Tabla 4.9 Coeficiente básico de reducción ........................................... 137

Tabla 5.1 Tabla de coeficientes de amortiguación o .................. 175

Tabla 7.1 Cargas vivas mínimas repartidas para hospitales ................. 191

Tabla 7.2 Factores de zona ................................................................... 191

Tabla 7.3 Clasificación de los perfiles de suelo ..................................... 192

Tabla 7.4 Factor S ................................................................................. 192

Tabla 7.5 Periodo "Tp" y TL" ................................................................. 193

Tabla 9.1 Costo de aisladores HDR en Dólares según diámetro .......... 251


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RESUMEN

Para cumplir con los objetivos y fines del presente trabajo de titulación, se

debe utilizar una metodología que permita entregar en forma clara los

fundamentos que sustentaran las conclusiones. Se trata de la evaluación

de sistemas de pórticos de concreto armado en 2 dimensiones, en la zona

costera del Perú, lo que se pretende es ver si realmente es conveniente

estructuralmente respecto a las mismas estructuras realizadas en forma

convencional. Para lograr evaluar el proyecto, se enfoca el presente

trabajo en cuatro grandes partes.

La primera consiste en el análisis y diseño de la estructura convencional,

este análisis se realizará utilizando el programa computacional MathCad

v.15, esto será apoyado por el programa computacional ETABS 2013, de

esta manera se tiene la visión y comportamiento del edificio si se realizará

en forma tradicional sin ningún sistema de aislación.

El segundo estudio a realizar es el de analizar y diseñar los sistemas de

aislamiento basal. El sistema escogido es: aislador elastomérico

convencional (HDR).

La tercera parte consiste en el análisis del edificio aislado con la norma

ASCE 7-10, como esta normativa es extranjera, se realizará una

metodología alternativa utilizando los parámetros de la Propuesta de

Norma de Diseño Sismorresistente E. 030.

La cuarta parte consiste en que como ya se tiene el diseño, análisis y

estimación de daños, se realiza una comparación analítica de los

resultados, analizando cual es la tendencia que tienen las estructuras

mientras más rígidas o flexibles sean, de igual manera como es que

cambia el comportamiento de las estructuras de diferentes niveles al

utilizar aisladores sísmicos.


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Se pretende que el presente trabajo de tesis sea una herramienta útil en

el conocimiento y estudio de la aislación basal, una ayuda al

entendimiento y masificación de la norma sísmica sobre estos

dispositivos. La profundidad de los temas irá acorde al nivel de la

implementación bibliográfica y técnica con la cual cuenta la universidad,

siendo un estudio que busca incentivar nuevas investigaciones en el área

de la protección sísmica.


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AISLAMIENTO SÍSMICO EN DIFERENTES CONDICIONES DE SUELO”.


CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes Generales

Los eventos sísmicos son un fenómeno natural que nos han acompañado

desde siempre y que inevitablemente nos seguirán acompañando en el

futuro. Esta afirmación tiene su base en que como es sabido la

distribución de los sismos en el mundo no es igualitaria, existen lugares

donde estos eventos se concentran más, ya sea en cantidad como en

intensidad. Perú está ubicado en una de las regiones sísmicamente más

activas del mundo, ya que se ubica prácticamente sobre una gran falla

geológica, la interacción entre la Placa Sudamericana y la de Nazca. En

los últimos 15 años hemos tenido grandes sismos que han dejado a su

vez gran cantidad de perdidas como lo son el sismo del 23 de junio del

2001 el cual afecto 6 departamentos del Perú con 6.9 grados Richter y

otro evento telúrico catastrófico fue el sismo del 15 de agosto del 2007 el

cual fue el más fuerte instrumentado ocurrido en el Perú por su intensidad

y duración con 8 grados Richter.

Prácticamente todos ellos han provocado pérdidas humanas y

económicas considerables, además del miedo e inseguridad en las

personas. Como se puede ver esta natural característica pasa a ser parte

de la “personalidad” de nuestro país conllevando a que los niveles de

vulnerabilidad y exposición debidos a los efectos de los sismos sea alto.

Hay que tener en claro que los efectos adversos generados por los

terremotos no son directas del mecanismo del sismo, más bien de las

fallas de estructuras construidas por el ser humano, por lo que aunque los

sismos son inevitables está en nuestras manos reducir sus consecuencias

a límites aceptables mediante el control del medio construido. Por todo lo

anterior nuestro país presenta múltiples desafíos ante el problema sísmico

y toma una relevancia importante la investigación de estructuras

resistentes a los sismos tanto del punto de vista estructural como


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funcional, ya que se presta un servicio directo a toda la población del país.

Perú es un laboratorio natural excepcional para entender los fundamentos

de los procesos sísmicos y comprobar el buen funcionamiento de

múltiples dispositivos que se puedan generar para el control de las

vibraciones producidas por los sismos sobre las estructuras, tal como son

los aisladores basales, los cuales son un sistema de control pasivo que se

ha venido desarrollando en las últimas décadas que logran mitigar y

controlar todos los tipos de daños que generan los terremotos.

En la presente memoria de título se estudia y desarrolla la implementaciónde un sistema de protección pasivo, la aislación basal, para diversos

casos generales, estructuras en 2 dimensiones, las cuales conservan las

características de una edificación, estas se ubican en la costa de nuestro

país siendo esta la más sísmica, y posee una tipología estructural de

pórticos de concreto armado. Se diseñaron alrededor de 48 modelos fijos

y 48 modelos aislados, los cuales serán cimentados en cada tipo de suelo

que aparece en la Propuesta de Norma de Diseño Sismorresistente E.030, estas estructuras tendrán 3, 6 y 9 pisos, los cuales se contrastaran a

través de un análisis dinámico espectral; creado utilizando los factores de

la norma anteriormente citada y utilizando una metodología alternativa de

la norma ASCE 7-10, para ver comparativamente cual presenta mejores

resultado para ciertos parámetros de interés, este mismo análisis será

utilizado para realizar un paralelo de respuesta entre edificios

convencionales y aislados.


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1.2 Objetivos y Alcances

1.2.1 Objetivo General

Comparar el comportamiento estructural de pórticos de

concreto armado usando aisladores sísmicos en diferentes

condiciones de suelos.

1.2.2 Objetivo Especifico

Determinar el comportamiento estructural de pórticos de

concreto armado flexibles y rígidos en un suelo flexible con la

influencia de aisladores sísmicos.

Determinar el comportamiento estructural de pórticos de

concreto armado flexibles y rígidos en un suelo rígido con la

influencia de aisladores sísmicos.

Obtener un método de diseño de aisladores sísmicos aplicando

la Propuesta de Norma de Diseño Sismorresistente E. 030.

1.2.3 Alcances

A partir tanto del objetivo general como de los específicos de la presentememoria de título, se pueden desprender los siguientes alcances:

a) Masificar el conocimiento sobre los aisladores basales en nuestro país,

ya que actualmente son pocas las estructuras las cuales cuentan con

estos sistemas y están ubicadas en el centro del país. Impulsando el

interés, estudio e implementación de los sistemas de aislación en casos

que su uso sea adecuado y favorable.


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b) Elaborar una evaluación según el comportamiento de distintos tipos de

sistemas de pórticos de concreto armado haciendo variaciones en su

rigidez y cantidad de pisos, con el fin de ver objetivamente en cuales de

estos y bajo qué condiciones es más favorable el uso de aisladores.

c) Al ser uno de los primeros proyectos realizados aplicando el Proyecto

de Norma de Diseño Sismorresistente E. 030, constituiría una buena

instancia para validarla y de generación de sugerencias y comentarios.

1.3. Metodología

Para cumplir con los objetivos y fines del presente trabajo de titulación, se

debe utilizar una metodología que permita entregar en forma clara los

fundamentos que sustentaran las conclusiones. Como se trata de la

evaluación de sistemas de pórticos de concreto armado en 2

dimensiones, en la zona costera del Perú, lo que se pretende es ver si

realmente es conveniente el uso de aisladores sísmicos respecto a las

mismas estructuras realizadas en forma convencional, todo esto

respaldado por un estudio el cual muestre si existen bondades en el

nuevo diseño justificando la implementación del sistema de aislación.

Para lograr evaluar el proyecto, se enfoca el presente trabajo en cuatro

grandes partes.

La primera consiste en el análisis y diseño de la estructura convencional,

este análisis se realizará utilizando el programa computacional MathCad

v.15 en el cual se explicará detalladamente el procedimiento para realizar

el análisis a las estructuras, las cuales para realizarlas con estas hojas de

cálculo serán diseñadas como simples, esto será apoyado por el

programa computacional ETABS 2013, de esta manera se tiene la visión y

comportamiento del edificio si se realizara en forma tradicional sin ningún

sistema de aislación, como es que realizan la mayoría de los edificios del


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país, se decidió que primero se explique cómo es que se realizan estos

cálculos para que el lector pueda comprender como es que afectan los

aisladores a las estructuras.

El segundo estudio a realizar es el de analizar y diseñar los sistemas de

aislamiento basal. El sistema escogido es: aislador elastomérico

convencional (HDR), esta parte consta de todo el respaldo teórico que se

pueda encontrar en la bibliografía existente y en las experiencias

realizadas sobre este sistema. Además el diseño del aislador se realizó

también con hojas de cálculo en el programa computacional MatchCad ytambién una modelación en ETABS 2013 para poder acoplarla al modelo

del edifico tradicional y tener la visión computacional del comportamiento

del edificio aislado.

La tercera parte consiste en el análisis del edificio aislado con la norma

ASCE 7-10, como esta normativa es extranjera, se realizará una

metodología alternativa utilizando los parámetros de la Propuesta de

Norma de Diseño Sismorresistente E. 030. Se realizará un detallado

análisis de ella aplicada a las estructuras, realizando análisis dinámicos

espectrales, para que con estos antecedentes se proceda al diseño de la

estructura aislada, con esto además de tener el edificio con sus

características nuevas estructurales; se podrá tener un parámetro de la

metodología, desarrollo y desempeño de la norma aplicada a un edificio

real.

La cuarta parte consiste en que como ya se tiene el diseño, análisis y

estimación de daños, se realiza una comparación analítica de los

resultados, analizando cual es la tendencia que tienen las estructuras

mientras más rígidas o flexibles son, de igual manera como es que

cambia el comportamiento de las estructuras de diferentes niveles al

utilizar aisladores sísmicos. Este estudio es muy importante ya que se

podrá ver cuando es más conveniente utilizar el sistema de aislación


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sísmica dependiendo de las características generales de las estructuras.

Se pretende que el presente trabajo de tesis sea una herramienta útil enel conocimiento y estudio de la aislación basal, una ayuda al

entendimiento y masificación de la norma sísmica sobre estos

dispositivos. La profundidad de los temas irá acorde al nivel de la

implementación bibliográfica y técnica con la cual cuenta la universidad,

siendo un estudio que busca incentivar nuevas investigaciones en el área

de la protección sísmica.


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CAPÍTULO II: FUNDAMENTOS Y SISTEMAS DE AISLACIÓN BASAL

2.1 Antecedentes Generales

Durante un sismo el movimiento horizontal del suelo es una causa de

daño en los edificios, por lo tanto si es posible permitir que el suelo bajo la

estructura se mueva en forma independiente de ésta, se reducirían los

daños. Un problema muy básico en el diseño sísmico de edificios de

mediana a baja altura, es que su frecuencia natural de vibrar se ubica en

el rango de frecuencias donde la energía proveída por los sismos es

mayor. Esto significa que el edificio actúa como un amplificador de las

vibraciones del suelo haciendo que las aceleraciones de cada piso

aumenten hacia arriba, lo que causa grandes esfuerzos en sus elementos

estructurales y desplazamientos entre pisos que pueden producir daño en

columnas y otros elementos.

El grado de amplificación puede ser reducido haciendo edificios más

rígidos, un edificio totalmente rígido no experimenta una aceleraciónmayor que la del suelo, pero ésta es una solución muy cara y de

efectividad práctica difícil. Por lo tanto, el ideal sería la reducción de las

aceleraciones en los edificios a niveles por debajo de la aceleración del

suelo.

Para lograr dicha reducción se puede introducir una conexión flexible,

usualmente a nivel de base, entre la estructura y el suelo, tecnología

denominada Aislación Basal. Con ello se da flexibilidad a la estructura,desplazándola en el espectro del sismo desde la zona de alta respuesta a

una zona de poca energía.

La aislación basal es una forma de diseño sísmico, que reduce el nivel de

aceleraciones que una estructura experimenta durante un sismo,

mediante el aumento del período propio de la estructura llevándolo lejos

de los períodos predominantes del movimiento del suelo, con la


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consiguiente disminución de los esfuerzos internos. Ello es aún más

efectivo cuando la estructura se apoya en suelo duro, pues entonces el

sismo presenta mayor energía para las frecuencias altas, con lo cual es

más simple aislar mediante la disminución de la frecuencia propia del

sistema.

Por razones prácticas no es recomendable disminuir la frecuencia propia

de la estructura a valores menores que 0,3 a 0.5 Hertz, dependiendo del

caso.

El objetivo de la aislación basal es proveer a una estructura un sistema de

aislamiento que restrinja, en lo posible, las deformaciones plásticas a

dispositivos especiales y fácilmente reemplazables. Estos tienen el efecto

de desacoplar parcialmente las estructuras del movimiento sísmico y son

capaces de absorber ellos mismos una parte de la energía debida a los

terremotos y de reducir, de esta manera el desplazamiento relativo entre

los distintos elementos estructurales.

Una comparación entre la respuesta de la estructura frente a un sismo

severo de un edificio convencional y de uno con sistema de aislación

basal puede verse en la Figura 2.1

Figura 2.1 (a) Respuesta de la estructura convencional frente a un sismo

severo, (b) Respuesta de una estructura con aislamiento de base

Fuente: AVILÉS SALAZAR, Raúl Marcelo. Dispositivos para el control de vibraciones.


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2.2 Principios del Aislamiento de Base

El principio fundamental del aislamiento de base es para modificar larespuesta del edificio de manera que la tierra pueda moverse debajo del

edificio sin transmitir movimientos a este. En un sistema ideal esta

separación seria total. En el mundo real, es necesario que haya algún tipo

de contacto entre la estructura y el suelo.

Un edificio que es perfectamente rígido tendrá un periodo igual a cero.

Cuando el suelo se mueve la aceleración inducida en la estructura sería

igual a la aceleración del suelo y habrá cero desplazamientos relativos

entre la estructura y el suelo. La estructura y el suelo se mueven la misma

cantidad.

Un edificio que es perfectamente flexible tendrá un periodo infinito.

Cuando el suelo debajo de la estructura se mueve habrá aceleración cero

inducida en la estructura, y el desplazamiento relativo entre la estructura y

el suelo, será igual al desplazamiento del terreno. La estructura no semueve, el suelo lo hará.

Figura 2.2 Transmisión de los Movimientos del Suelo

Todas las estructuras reales no son ni perfectamente rígidas ni

perfectamente flexibles y así la respuesta a los movimientos del suelo es

entre estos dos extremos como se muestra en la Figura 2.3. Los periodos


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comprendidos entre cero e infinito, las aceleraciones máximas y

desplazamientos relativos al suelo son una función del terremoto como se

muestra conceptualmente en la Figura 2.3.

Figura 2.3 Aceleración y Desplazamiento de las Estructuras

Fuente: NAEIM, Farzad. KELLY, M. James. Desing of Seismic Isolated Structures from

Theory to Practice, John Wiley & Sons, 1999.

2.3 Tipos de Aislación Basal

Actualmente más de 300 estructuras en todo el mundo han sido

construidas o están bajo construcción sobre alguna forma de sistema de

aislación. Los sistemas de aislación basal son clasificados primeramente

dentro de dos tipos básicos, uno representados por los apoyos

elastoméricos y el otro representados por los apoyos deslizantes. Estos

sistemas han encontrado aplicación en muchas de las estructuras

aisladas. Otras formas de sistemas de aislación basal que existen, son

sistemas que combinan sistemas elastoméricos y deslizantes, apoyos

elastoméricos acoplados con dispositivos que proveen la disipación de

energía adicional, etc.


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El diseño de edificios con aisladores de base busca mantener la

estructura en el rango lineal elástico, concentrando las no linealidades en

la base. Para un edificio de corte, y considerando la notación de la Figura

2.4, la ecuación del movimiento del sistema, sometido a una excitación

sísmica de aceleración , es ̈ ̇ ̈

(2.1)

donde es un vector que representa los desplazamientos de piso rela-tivos a su base, es el desplazamiento de la base relativo al terreno, es la matriz de masa, es la matriz de amortiguamiento, es la matrizde rigidez y es el vector que relaciona los movimientos de cuerpo rígidocon los grados de libertad del modelo. Para edificios de cortante, esigual al vector unidad. Las condiciones iniciales son

Para

0 ⟶ 0, ̇ 0

(2.2)

Las fuerzas de rigidez y de amortiguamiento ejercidas por el edificio sobre

la base se obtienen de la ecuación (2 .1) como

̇ ̈ ̈ (2.3)

De esta forma, la ecuación del movimiento para la base es

̈ JM ̈ ̈ 0 (2.4)

donde es la masa de la base encima del aislador y es la fuerzaejercida por el aislador sobre la masa

, por último, la ecuación que


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gobierna a depende del tipo de aislador.La solución general de la ecuación (2.1), empleando la superposición

modal, es

Xt ϕxtq= (2.5)

donde

ϕ, son los modos de vibración y q es el número de modos

incluidos en el análisis. Las respuestas modales x se obtienen a partirde la ecuación̈ 2 ̈ ̈

(2.6)

donde

ω y

νson las frecuencias naturales y coeficientes de

amortiguamiento del edificio y son los factores de participación modal. Aplicando la ecuación (2.5) en la (2.4), se obtiene la ecuación delmovimiento de la masa en la base .

Figura 2.4 Edificio con aislamiento de base. (a) Esquema. (b) Modelo

(a) (b)


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dinámico.

̈ ̈= ̈ 0 (2.7)



2.3.1 Aislador de base de fricción

Es un sistema de aislación en el que la estructura se apoya en juntas

deslizantes, permitiendo que las fuerzas de fricción, oponiéndose al

movimiento, disipen energía. Se han realizado diversos proyectos de

investigación en el National Center for Earthquake Engineering Research

de Buffalo, Nueva York respecto a este sistema.

La Figura 2.5 presenta un esquema de una conexión de fricción y su

correspondiente modelo dinámico. La ecuación de movimiento de la base(2.7) se reescribe para un aislador fabricado mediante un material de

fricción pura tipo Coulomb y asumiendo que las superficies están siempre

en contacto, en la siguiente forma:

(a) (b)

Figura 2.5 Sistema de aislamiento por fricción. (a) Esquema. (b) Modelo

dinámico.


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̈ ̈

= ̈ ̇ 0

(2.8)

Donde g es la aceleración de la gravedad y es el coeficiente de fricción,cuyos valores típicos fluctúan entre 0 . 1 y 0 . 3 y es la masa totalencima del aislador: JM La ecuación (2.8) describe larespuesta del sistema durante la fase de deslizamiento. Si la base se

detiene y deja de deslizar, la siguiente ecuación gobierna la respuesta.

̇ 0 (2.9)

Siempre que

>

̈

=

(2.10)

Si la situación de no deslizamiento representada por la ecuación (2.10)

falla, la estructura volverá a deslizar, por lo que se empleará nuevamente

la ecuación (2.8). Durante la fase de deslizamiento, si ̇ es cero, debeverificarse la condición de no deslizamiento con el objeto de determinar si

la masa continúa deslizándose o está momentáneamente fija a la

cimentación.

La ecuación (2.6), junto con las ecuaciones (2.8) y (2.9), forman un

sistema de 1 ecuaciones diferenciales acopladas que permitenobtener los desplazamientos de la base y las amplitudes modales xt. Con xt conocido, se obtienen, usando la ecuación (2.5), eldesplazamiento, la velocidad y la aceleración relativa en cualquier punto


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de la estructura.

El coeficiente de fricción varía en función de la naturaleza de lassuperficies deslizantes, su velocidad relativa y la presión en cadainstante. Resultados de investigaciones realizadas por Constantinou et al.

(1990a) y por Mokha et al. (1988) indican que esta variación se puede

modelizar como

ζ ζ ζ ζexp| ̇ |)(2.11)

Donde ζm es el coeficiente de fricción a velocidades altas, ζm es elcoeficiente de fricción a velocidades cercanas a cero, es un parámetroes un parámetro que controla la variación del coeficiente de fricción en

función de la velocidad y es la velocidad de deslizamiento. Estosparámetros se obtienen para una determinada presión de contacto. El

coeficiente de fricción se representa como una función monótonamente

creciente de la velocidad de deslizamiento. El efecto de incrementar la

presión de contacto es el de reducir el coeficiente de fricción. La

aceleración vertical durante un terremoto afecta no sólo al coeficiente de

fricción sino además a la masa en la ecuación (2.8). Los efectos de lavariación del cambio del coeficiente de fricción durante el deslizamiento

sobre la respuesta de estructuras aisladas sísmicamente pueden ser

significativas si éstas son de resistencia reducida. Las variaciones en las

demandas de ductilidad para estas estructuras no son linealmente

dependientes de las variaciones del coeficiente de fricción.




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2.3.2 Sistema pendular friccionante (sistema FPS)

Es un sistema de aislación que cuenta con una fuerza restitutiva quepermita que la estructura vuelva a su posición inicial, y por ello evita que

puedan producirse desplazamientos remanentes significativos. Esta

fuerza restitutiva se logra curvando las placas deslizantes, tal como se

muestra en la Figura 2.6(a) para el sistema pendular friccionante (FPS).

Este sistema, desarrollado en Estados Unidos durante la década de 1980,

emplea el peso propio de la estructura para recentrar el edificio,

minimizando los desplazamientos finales. Si se supone nuevamente quela fricción pura es de Coulomb y que las placas están siempre en contacto,

la ecuación del movimiento de la base correspondiente a un edificio

apoyado en este tipo de sistema de aislamiento es

̈ ̈= ̈ ̇ 0 (2.12)

Donde es la rigidez deslizante efectiva. En el caso del sistema FPS,esta fuerza restitutiva se puede proporcionar mediante resortes externos

o utilizando placas deslizantes curvas. La rigidez deslizante es útil para

definir el período de la conexión, T . Este parámetro corresponde alperíodo de una estructura perfectamente rígida que desliza sobre la

conexión y se puede obtener como

T 2π /. Para el sistema

FPS, T 2π / donde es el radio de curvatura de las placas.


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(a) (b)

Figura 2.6 Conexión FPS. (a) Esquema. (b) Modelo dinámico

La ecuación (2.12) gobierna la respuesta del sistema durante la fase de

deslizamiento. De forma similar al caso del aislador friccional, si la masa

se detiene, la condición de no deslizamiento

̇ 0 (2.13)

Es válida mientras

> ̈= (2.14)

Si la condición de no deslizamiento, representada por la ecuación (2.14),

falla, la base empieza a deslizar y la ecuación (2.12) vuelve a ser válida.

Durante la fase de deslizamiento, si ̇ es cero, debe comprobarse lacondición de no deslizamiento para determinar si la masa continúadeslizándose o se detiene.

El coeficiente de fricción recomendado para este sistema varía entre ζ 0.05 y ζ 0. 15. No son recomendables valores inferiores debido a que eledificio podría moverse durante vientos moderados. Tampoco son


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convenientes valores superiores a éstos, debido a que no protegerían el

edificio frente a sismos. De forma similar, el período de la conexión,

T,

suele ser entre 2 y 3.Fuente: NAEIM, Farzad. KELLY, M. James. Desing of Seismic Isolated Structures from


2.3.3 Apoyo de neopreno reforzado (sistema HDR)

La utilización de sistemas modernos de aislamiento sísmico comenzó

hace aproximadamente veinte años, con la utilización de los elastómerosy, en particular del neopreno reforzado. La Figura 2.7(a) ilustra un apoyo

de neopreno reforzado formado por capas de neopreno y planchas

metálicas. El neopreno está vulcanizado a las planchas metálicas, con lo

que la conexión es flexible horizontalmente y rígida verticalmente. Una

estructura apoyada sobre este tipo de elemento tiene un período

fundamental mayor que el que tendría si fuese apoyada sobre una base

fija, evitando así amplificaciones dinámicas, estos apoyos son similares alos empleados en puentes y esta experiencia permite asegurar su

durabilidad incluso en ambientes agresivos.

(a) (b)

Figura 2.7 Apoyo de neopreno reforzado (a) Esquema. (b) Modelo

dinámico

La ecuación de movimiento de la base de un edificio apoyado en soportes


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de neopreno reforzado y sometido a una aceleración horizontal sepuede escribir como

̈ ̇ ̈= ̈ 0 (2.15)

Donde y son el amortiguamiento y la rigidez equivalentes delaislador. El sistema lineal equivalente permite una solución aproximada

simple para este sistema. Las amplitudes modales y losdesplazamientos de la base se obtienen al resolver el sistema deecuaciones acopladas formado por las expresiones (2 .6 ) y (2.15).

Un valor común de diseño para el período del aislador T es de 2 ,donde T 2π /. El amortiguamiento equivalente para el neoprenovaría significativamente en función del nivel de deformación. Para

deformaciones bajas υ c/2w 0.3 y para deformaciones altas sereduce a υ 0.05. Un valor común recomendado en el diseño es υ 0.1. Un factor adicional de inestabilidad en los aisladores de neopreno, que no

existe en el caso de los de fricción, es su pandeo. El gran desplazamiento

horizontal, que se produce en la base del aislador, junto con la carga axial

soportada, pueden hacer que el efecto

P Δ sea significativo. La

inestabilidad en este caso es similar a la producida en una columna

convencional, pero dominada por la baja rigidez a cortante del neopreno.

En estructuras aisladas sísmicamente, el momento de vuelco debido a

cargas laterales puede producir esfuerzos de tracción que superen a los

de compresión debidos al peso propio del edificio. De esta forma, los

aisladores de neopreno pueden estar sometidos a esfuerzos de tracción

importantes, que dependen de la esbeltez del edificio. En general, estos


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esfuerzos no son convenientes y por ello se recomienda proyectar

estructuras con una relación baja entre altura y ancho.



2.3.4 Aislador elástico-friccionante (sistema R-FBI)

Es un sistema de aislamiento denominado sistema elástico-friccionante

por la razón de que la conexión está formada por varias placas

recubiertas de teflón y un núcleo de neopreno, tal como se ilustra en laFigura 2.8(a). El neopreno proporciona la fuerza restitutiva necesaria para

recentrar la conexión en su posición inicial, de forma análoga a la

curvatura de la superficie deslizante en el caso del sistema FPS y las

placas deslizantes disipan energía por fricción.

(a) (b)

Figura 2.8 Conexión elástico-friccional (a) Esquema. (b) Modelo dinámico

El modelo dinámico correspondiente a esta conexión se muestra en la

Figura 2.8(b). El sistema usa la acción en paralelo de la elasticidad del

neopreno y de la fricción entre las placas de teflón. La ecuación del

movimiento de la base de un edificio apoyado en aisladores R-FBI se

expresa como

̈ ̇ ̇ ...


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… ̈

= ̈ 0

(2.16)

Donde y son el amortiguamiento y la rigidez equivalentes para elaislador y ζ es el coeficiente de fricción.La ecuación (2.16) describe el movimiento de la base en la fase de

deslizamiento. Inicialmente, cuando la base empieza a deslizarse, la

condición de no deslizamiento, dada por la ecuación (2 .9), se cumple

mientras

> ̈= (2.17)

Si esta condición de no deslizamiento no se cumple, el movimiento de labase se inicia nuevamente y la ecuación (2.16) gobierna el movimiento. Si

la velocidad relativa es cero durante el movimiento, entonces debe

comprobarse la ecuación (2.17). Dicha comprobación permite establecer

si la base continúa deslizándose o si se encuentra fijada a la cimentación.

Las amplitudes modales y el desplazamiento de la base se obtienen

resolviendo las ecuaciones (2 .6 ) y (2.16) o (2.9). Valores comunes de

diseño para él sistema R-FBI son: T 0.4, 0.03 < ζ < 0.05 y υ 0.1 Fuente: NAEIM, Farzad. KELLY, M. James. Desing of Seismic Isolated Structures from


2.3.5 Aislador de la “Electricite de France” (sistema EDF)

Una aplicación importante de los aisladores dinámicos es en centrales

nucleares, un sistema desarrollado para este empleo es el denominado


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EDF. En este caso, la conexión está formada por dos placas deslizantes y

por neopreno reforzado colocado en serie, tal como se ilustra en la Figura

2.9(a). Si la estructura está sometida a un movimiento sísmico de baja

intensidad, la respuesta se controla por el neopreno, de forma análoga al

sistema HDR. Si la intensidad del movimiento sísmico incrementa y

ocurre el deslizamiento, la fuerza transmitida de la base a la cimentación

se limita por la fricción entre las placas. De esta forma, las placas

deslizantes proporcionan un coeficiente de seguridad adicional frente a la

acción de terremotos extremos.

(a) (b)

Figura 2.9 Conexión EDF (a) Esquema. (b) Modelo dinámico

El modelo dinámico correspondiente a este sistema se muestra en la

Figura 2.9(b). La ecuación de movimiento para la base de un edificio

apoyado en aisladores EDF se puede expresar como

̈ ζg ̇ ̇ JM ϕxt ̈q= ̈ 0 (2.18)

̇ ζ g ̇ ̇ 0 (2.19)


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Donde y son la rigidez y el amortiguamiento equivalentes neoprenoy

ζ es el coeficiente de fricción. En la fase de no deslizamiento, el

sistema EDF se comporta como uno de neopreno reforzado y su

ecuación de movimiento es

̈ ̇ JM ϕxt ̈q= ̈ 0 (2.20)

̇ ̇ 0 (2.21)

En estas ecuaciones, es el desplazamiento de la base relativo alterreno y x es la deflexión del neopreno.Cuando la base se detiene sobre el neopreno, las ecuaciones (2.20) y

(2 .21) gobiernan el movimiento siempre que la condición de nodeslizamiento

g ζ > ̈ JM ϕ̈tq= (2.22)

se cumpla. Si ésta no se cumple, el deslizamiento comienza nueva-

mente y las ecuaciones (2.18) y (2.19) gobiernan el movimiento. En la

fase de deslizamiento, si ̇ ̇, debe comprobarse la condición de nodeslizamiento dada por la ecuación (2 .22) con el objetivo de determinar

si continúa el deslizamiento o si prevalece la condición de no

deslizamiento. Los valores recomendados para los parámetros que

gobiernan la respuesta de este sistema son T 1 s y ζ 0 . 2.


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2.3.6 Aislador neozelandés o Lead Rubber Bearing (sistema NZ o

LRB)

Alejar el período fundamental de un edificio del período predominante de

un terremoto no garantiza plenamente la protección de la estructura,

debido a una posible resonancia con otras frecuencias naturales, más

altas. Además, diversos terremotos no muestran un período

predominante claramente definido y es posible que los distintos picos

espectrales que pueda tener induzcan amplificaciones dinámicas. Por

estos motivos, se necesita el empleo de elastómeros con alto

amortiguamiento, que disipen energía. Un sistema que incrementa

considerablemente el amortiguamiento de las conexiones se desarrolló en

Nueva Zelanda. Este apoyo, ilustrado en la Figura 2 .10(a), tiene un

núcleo de plomo.

(a) (b)

Figura 2.10 Aislador neozelandés o Lead Rubber Bearing. (a) Esquema.

(b) Modelo dinámico

El comportamiento mecánico de este sistema de aislamiento es similar al

de un amortiguador no lineal, por lo que la ecuación del movimiento es

distinta de la del sistema HDR. El uso del núcleo de plomo en los apoyos


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de neopreno reforzado incrementa notablemente el amortiguamiento,

desde el 3 % al 15%. Además, reduce los desplazamientos horizontales y

proporciona una fuente adicional de disipación de energía. El modelo

dinámico correspondiente a esta conexión se muestra en la Figura

2 .10 (b). La relación fuerza- desplazamiento para este sistema puede

modelizarse empleando el modelo histerético de Wen (1976), en el cual la

fuerza restitutiva , correspondiente a un amortiguador histerético, es

1

(2.23)

Donde es un parámetro adimensional que debe cumplir la siguienteecuación no lineal de primer orden

̇ ̇ || ̇ ||−| ̇ | (2.24)

Donde a su vez y son, respectivamente, el desplazamiento y lafuerza de fluencia en el amortiguador, mientras que , , y sonparámetros adimensionales. El parámetro es un entero que controla lasuavidad de la transición entre la fase elástica a la plástica y es el factorde endurecimiento. Los valores 46 , 7.7 , 0.157, 0.54,

1 . 4 ,

1,

1 han sido sugeridos por Constantinou y

Tadjbakhsh (1984) para predecir la respuesta experimental de conexiones

NZ. Una alternativa numérica para el análisis de estos aisladores es el

uso de modelos de elementos finitos que incorporen el neopreno, el acero

y el plomo.

La ecuación del movimiento de la base de un edificio apoyado en

conexiones histeréticas de tipo NZ o LRB se puede expresar como


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̈ ̇ 1 ...

… JM ϕxt ̈q= ̈ 0 (2.25)

donde la componente histerética z se determina a partir de la ecuación

(2.24). El amortiguamiento y la rigidez del aislador son

y

,

respectivamente.

El sistema LRB se emplea frecuentemente no sólo en Nueva Zelanda

sino también en Estados Unidos. Un ejemplo de estructura construida con

este sistema es el edificio Clayton en Wellington, Nueva Zelanda.



2.3.7 Aislador deslizante elástico-friccionante (sistema SR-F)

Es un sistema de aislamiento que emplea la acción combinada del

sistema elástico-friccional con la del sistema EDF. La conexión es como

la elástica-friccional, pero se añaden placas deslizantes en su parte

superior. De esta forma, para movimientos de baja intensidad el sistema

se comporta como el elástico-friccional. A medida que la intensidad

aumenta y se produce el deslizamiento, las placas superiores desacoplanel movimiento de la estructura del desplazamiento del terreno. En este

sistema, los desplazamientos permanentes se limitan exclusivamente por

la acción elástica del neopreno. Por otro lado, el coeficiente de fricción

entre las placas deslizantes es relativamente alto, por lo que su

deslizamiento se produce sólo en el caso de terremotos muy fuertes.

La ecuación de movimiento del aislador SR-F es relativamente más


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complicada que para los otros sistemas, debido a la presencia de dos

coeficientes de fricción distintos. En la fase correspondiente al

deslizamiento entre ambas superficies de fricción, la ecuación del

movimiento es

̈ gsigṅ ̇ JM ϕẍtq= ̈ 0 (2.26)

̇ gsigṅ gsigṅ ̇ 0 (2.27)

donde y son los coeficientes de fricción entre las placas superiores yentre las placas del cuerpo del aislador, respectivamente.

Cuando las placas superiores no deslizan, pero sí lo hacen las placas del

cuerpo del aislador, la ecuación del movimiento se transforma eṅ ̇ 0 (2.28)

̈ ̇ gsigṅ JM ϕẍtq= ̈ 0 (2.29)

En este caso la respuesta del sistema SR-F es idéntica a la respuesta del

sistema R-FBI. Cuando solo deslizan, las placas superiores, la respuesta

del sistema SR-F es idéntica a la del sistema de fricción pura y las

ecuaciones del movimiento son


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̈ gsigṅ JM ϕẍtq

= ̈ 0

(2.30)

̇ 0 (2.31)

Si no hay deslizamiento, las ecuaciones de movimiento se simplifican y se

obtiene ̇ ̇ 0 (2.32)

La condición de no deslizamiento entre las placas superiores es válida

mientras que se cumpla que

g > ̈ JM ϕẍtq= (2.33)

La condición de no deslizamiento entre las placas del cuerpo del aislador

es válida mientras se cumpla la inecuación

g > ̈ JM ϕẍtq= (2.34)

El sistema SR-F funciona satisfactoriamente si el coeficiente de fricción entre las placas superiores es superior al coeficiente de fricción entrelas placas intermedias. Los valores recomendados para este sistema son


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0.04, 0 . 1 , 0.1 y un período de 4 para el aislador.Fuente: NAEIM, Farzad. KELLY, M. James. Desing of Seismic Isolated Structures from


2.4 Experiencia Mundial

En los últimos años el aislamiento de base se ha convertido en una

técnica de diseño estructural cada vez más aplicada para edificios y

puentes en áreas altamente sísmicas. Muchos tipos de estructuras se han

construido usando este sistema, y muchos otros están en la fase dediseño o bajo construcción.

Las ideas detrás del concepto del aislamiento de base son absolutamente

simples. Hay dos tipos básicos de sistemas de aislamiento. El sistema

que se ha adoptado en estos últimos años se ha caracterizado por el uso

de aisladores elastoméricos, el elastómero está hecho del caucho natural

o de neopreno. En este acercamiento, el edificio o la estructura es

separada del suelo, mediante una capa de aislamiento el cual posee una

cierta rigidez horizontal ante la presencia de movimiento de tierra del

terreno. Esta capa da a la estructura una frecuencia fundamental menor

que la frecuencia con empotramiento y también baja mucho las

frecuencias predominantes del movimiento del terreno. El primer modo

dinámico de la estructura aislada implica la deformación solamente en el

sistema de aislamiento, la estructura para fines prácticos se comporta

como sólido rígido. Los modos más altos que producirán la deformaciónen la estructura son ortogonales al primer modo y por lo tanto también al

movimiento de la tierra. Estos modos más altos no participan en el

movimiento, ya que no se puede transmitir esta energía en la estructura.

El sistema del aislamiento no absorbe la energía del terremoto, sino

la desvía con la dinámica del sistema. Este tipo de aislamiento trabaja

cuando el sistema es lineal y aun cuando no está amortiguado; sin


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embargo, algo que amortigüe es beneficioso para suprimir cualquier

resonancia posible en la frecuencia del aislamiento.

2.4.1 AISLAMIENTO DE BASE EN LOS ESTADOS UNIDOS.

La investigación sobre el desarrollo de aisladores de base de caucho

natural comenzó en 1976 en el Earthquake Engineering Research Center

(EERC), ahora conocido como el Pacific Earthquake Engineering

Research Center (PEER) de la Universidad de California en Berkeley. El

programa de investigación inicial era un esfuerzo común por EERC y la

Malaysian Rubber Producers Research Association (MRPRA), de Reino

Unido. El programa fue inicialmente financiado por la MRPRA, y

posteriormente por la National Science Foundation y el Electric Power

Research Institute. La investigación fue dirigida por el Profesor James M.

Kelly en el EERC, quien incluyó importantes contribuciones teóricas y

experimentales sobre el tema.

El primer edificio con aislamiento de base en los Estados Unidos fue elFoothill Communities Law and Justice Center, terminado en 198

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Tesis Aislacion Sismica,BFV MFJ