UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR - … · 5.7.2 Procedimiento para diseño de aisladores elastoméricos con núcleo de plomo ... ASCE/SEI 7-10 y los espectros de desplazamiento calculados

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

ANÁLISIS Y REDISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN

ACERO CON AISLADORES SÍSMICOS “BLOQUE-E DEL HOSPITAL

REGIONAL DE AMBATO” MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA

ETABS

(Análisis Comparativo de Comportamiento y Costos).

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO CIVIL

OPCIÓN ESTRUCTURAS

AUTOR:

ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO

TUTOR:

ING. SANTAMARÍA CARRERA JORGE LUIS

QUITO – ECUADOR

2015

ii

DEDICATORIA

Este trabajo tiene un valor agregado ya que está dedicado en especial a mi

madre Mariana Cañarejo Fernández por haberme ayudado a culminar

una etapa más en mi vida, por enseñarme valores y buenos principios,

quien además me ayudo a comprender que en la vida siempre hay que

tener deseo de lucha y superación.

A mis hermanos Bladimir, Claudia y Gladyz por haberme acompañado

a través de los años por este caminar y darme su apoyo incondicional.

Marco Ramiro Anrango Cañarejo.

iii

AGRADECIMIENTO

A mis padres por haber sembrado en mi sabiduría y perseverancia para

lograr lo anhelado.

A mis profesores: Ing. Santamaría Jorge, Ing. Crespo Wilmer y Ing. Viera

Paulina por dirigirme de la mejor manera a fin de culminar el proyecto.

A todos mis profesores que fueron parte de mi instrucción profesional a lo

largo de toda la Carrera quienes con su conocimiento y experiencia

entregaron todo con la finalidad de formar en mí un buen profesional.

A mis amigos y compañeros con los que se compartió las aulas en toda mi

vida estudiantil.

Marco Ramiro Anrango Cañarejo.

iv

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO en calidad de autor del

trabajo de investigación o tesis realizada sobre ANÁLISIS Y REDISEÑO

DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN ACERO CON AISLADORES

SÍSMICOS “BLOQUE-E DEL HOSPITAL REGIONAL DE AMBATO”

MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA ETABS (Análisis Comparativo de

Comportamiento y Costos), por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD

CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me

pertenecen o de parte de lo que contiene esta obra, con fines estrictamente

académicos o de investigación.

Los derechos que como autor me corresponde, con excepción de la

presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo

establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la ley de

Propiedad Intelectual y su Reglamento.

Quito, a 20 de Enero de 2015

……………………….......

FIRMA

ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO

CI 1002984860

v

CERTIFICACIÓN

En calidad de Tutor del proyecto de investigación: “ANÁLISIS Y REDISEÑO

DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN ACERO CON AISLADORES

SÍSMICOS BLOQUE-E DEL HOSPITAL REGIONAL DE AMBATO”

MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA ETABS. (Análisis Comparativo de

Comportamiento y Costos), presentado y desarrollado por el señor:

ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO, previo a la obtención del Título

de Ingeniero Civil, considero que el proyecto reúne los requisitos

necesarios.

En la ciudad de Quito, a los 17 días del mes de Septiembre del 2014

---------------------------------------------

ING. SANTAMARÍA CARRERA JORGE LUIS

TUTOR

vi

vii

viii

ix

CONTENIDO

CAPITULO I

1. INTRODUCCIÓN _______________________________________ 1

1.1 Antecedentes Generales _____________________________ 2

1.1.1 Ingeniería Sísmica _________________________________ 5

1.1.2 Costos Económicos en Edificios Producidos por Sismos __ 17

1.2 Objetivos y Alcances _______________________________ 21

1.2.1 Objetivo General _________________________________ 21

1.2.2 Objetivos Específicos ______________________________ 21

1.2.3 Alcances _______________________________________ 21

1.3 Metodología ______________________________________ 22

CAPITULO II

2. FUNDAMENTOS Y SISTEMAS DE AISLACIÓN BASAL _______ 24

2.1 Antecedentes Generales ____________________________ 24

2.2 Tipos de Aislación Basal ___________________________ 28

2.2.1 Aislador Elastomérico Convencional __________________ 29

2.2.1.1 Aislador Elastomérico de Bajo Amortiguamiento (LDRB).

30

2.2.1.2 Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento (HDRB).30

2.2.1.3 Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo (LRB). ___ 31

2.2.2 Aisladores Deslizantes _____________________________ 32

2.2.2.1 Aisladores Péndulo Friccional. ___________________ 33

2.2.2.2 Aisladores Friccionales _________________________ 33

2.3 Experiencia y Aspectos a considerarse en la instalación de

aisladores. _____________________________________________ 35

CAPITULO III

3. ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO SISMO RESISTENTE _ 43

3.1 El sismo como acción de diseño _____________________ 43

3.1.1 Espectros de respuesta ____________________________ 45

3.1.2 Espectros de diseño _______________________________ 46

x

3.1.3 Acción vertical del sismo ___________________________ 50

3.2 Diseño por Capacidad ______________________________ 51

3.3 Filosofía del Diseño Sismo resistente _________________ 52

3.3.1 Criterio general___________________________________ 52

3.3.2 Factor de modificación de respuesta R ________________ 54

3.4 Desplazamientos Laterales y Distorsión de Piso ________ 59

3.5 Estados de Carga y Análisis _________________________ 64

3.5.1 Factor de redundancia _____________________________ 64

3.5.2 Combinaciones de carga con acción de sismo __________ 65

3.5.3 Métodos de análisis _______________________________ 68

3.6 Técnicas Avanzadas de Diseño Sismo resistente _______ 71

3.6.1 Sistemas de protección sísmica ______________________ 71

3.7 Sistemas Estructurales para Construcciones de Acero __ 77

3.7.1 Pórticos no arriostrados ____________________________ 79

3.7.2 Pórticos arriostrados concéntricamente ________________ 82

3.7.3 Pórticos arriostrados excéntricamente _________________ 86

3.7.4 Sistemas de columnas en voladizo ___________________ 90

3.7.5 Pórticos con riostras de pandeo restringido _____________ 93

3.7.6 Muros de corte con placas de acero __________________ 95

3.8 Sistemas Sismo resistentes _________________________ 97

CAPITULO IV

4. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO EN

ESTRUCTURA DE ACERO _________________________________ 98

4.1 Sistema Estructural Sismo Resistente de Pórticos no

arriostrados ___________________________________________ 99

4.2 Comportamiento estructural________________________ 100

4.3 Modelación computacional en el programa ETABS _____ 104

4.3.1 Antecedentes generales __________________________ 104

4.3.2 Consideraciones generales para el modelamiento de la

estructura empotrada. __________________________________ 106

xi

4.3.3 Modelamiento de la estructura empotrada _____________ 108

Propiedades de los Materiales ___________________________ 108

4.3.4 Estructuración del proyecto (diseño) _________________ 109

4.3.5 Análisis estático _________________________________ 116

4.3.5.1 Cargas Sísmicas _____________________________ 118

4.3.6 Análisis Dinámico Espectral ________________________ 122

4.3.6.1 Espectro elástico de diseño en aceleraciones ______ 122

4.3.6.2 Espectro Inelástico ___________________________ 123

4.3.7 Análisis del modelo ______________________________ 127

4.3.7.1 Requisitos para los modelos estructurales y sus Análisis

127

4.3.7.2 Detalles de análisis ___________________________ 129

4.3.7.3 Verificación geométrica del modelo. ______________ 129

4.3.7.4 Derivas de piso. _____________________________ 131

4.3.7.5 Periodos y modos de vibración. _________________ 137

CAPITULO V

5. AISLAMIENTO BASAL DE LA ESTRUCTURA______________ 139

5.1 Comportamiento del Sistema Aislado ________________ 139

5.2 Consideraciones Generales para el Diseño ___________ 139

5.3 Consideraciones generales para el análisis y diseño con

aisladores sísmicos ____________________________________ 141

5.4 Algunas consideraciones preliminares para el diseño __ 143

5.4.1 Norma Técnica __________________________________ 143

5.4.1.1 Método de la Fuerza Lateral Equivalente __________ 144

5.4.1.2 Métodos Dinámicos __________________________ 148

5.5 Análisis del Modelo de Estructura Aislada ____________ 149

5.5.1 Criterios para la elección de estructuras ______________ 149

5.6 Consideraciones y criterios de modelamiento. ________ 151

5.6.1 Capacidad de carga y tracción ______________________ 151

5.6.2 Rigidez lateral y desplazamiento máximo _____________ 151

5.6.3 Diafragma rígido_________________________________ 152

xii

5.7 Procedimientos de Diseño de los Aisladores __________ 153

5.7.1 Consideraciones Iniciales _________________________ 153

5.7.2 Procedimiento para diseño de aisladores elastoméricos con

núcleo de plomo (LRB) _________________________________ 153

5.7.3 Detalle del Modelamiento en Software ________________ 163

CAPITULO VI

6. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA AISLADA ________________ 168

6.1 Análisis Dinámico No Lineal de la Estructura __________ 168

6.1.1 Modelo Histerético de Wen ________________________ 170

6.1.2 Definición de Registros ___________________________ 173

6.2 Resultados Sistema Aislado. _______________________ 174

6.2.1 Criterios de Verificación y Elección del Sistema de Aislación

175

6.2.2 Modos de vibración sistema aislado. _________________ 179

6.2.3 Desplazamiento del Sistema de Aislación _____________ 180

6.2.4 Desplazamiento Relativo de la Superestructura ________ 183

6.2.5 Aceleraciones Absolutas en la Superestructura _________ 185

6.2.6 Corte Basal de la Superestructura ___________________ 187

6.3 Comparación de Comportamiento de Edificio en Estructura

Metálica vs. Estructura Aislada ___________________________ 189

6.3.1 Desplazamientos Relativos de la Estructura Aislada y Base

Fija 190

6.3.2 Aceleración Absoluta de la Estructura Aislada y Base Fija 192

6.3.3 Corte Basal de la Estructura Aislada y Base Fija ________ 193

6.4 Rediseño de la Subestructura ______________________ 195

6.4.1 Losa Nv+/-0.00 y vigas del sistema de aislación ________ 196

6.4.2 Diseño Cimentación ______________________________ 203

CAPITULO VII

7. ESTUDIO COMPARATIVO DE COSTOS DEL EDIFICIO ______ 207

7.1 Antecedentes Generales ___________________________ 207

xiii

7.2 Estimación de Costos Totales del Edificio en Estructura

Metálica vs. Edificio en Estructura Metálica Aislado _________ 207

7.2.1 Estimación de Costos Directos _____________________ 209

7.2.2 Estimación de Costos Indirectos ____________________ 213

CAPITULO VIII

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ________________ 218

8.1 Bibliografía y Referencias. _________________________ 226

xiv

LISTA DE GRÁFICOS

Fig. 1.1Distribución sísmica en América Central, Sur y en sus zonas

oceánicas. (Bolt 1985) ............................................................................... 6

Fig. 1.2 Fallas geológicas del Ecuador ...................................................... 7

Fig. 1.3 Sismo por Subducción .................................................................. 8

Fig. 1.4 Eventos de Actividad volcánica ..................................................... 9

Fig. 1.5 Comparación del número de eventos registrados vs. Número de

eventos de magnitud igual o superior a 4.0 grados desde el año 2000 hasta

el 2013 ..................................................................................................... 11

Fig. 1.6 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año

2013 en las fuentes corticales .................................................................. 13

Fig. 1.7 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año

2013 en las fuentes de subducción .......................................................... 14

Fig. 2.1 Reducción de la respuesta sísmica en un edificio aislado,

expresado en la reducción de la deriva y las fuerzas sísmicas en cada nivel

y en el incremento del amortiguamiento .................................................. 27

Fig. 2.2 Partes del sistema de aislación ................................................... 29

Fig. 2.3 Aislador tipo LDRB ...................................................................... 30

Fig. 2.4 Aislador tipo HDRB ..................................................................... 31

Fig. 2.5 Aislador tipo LRB ........................................................................ 32

Fig. 2.6 Péndulo Friccional....................................................................... 33

Fig. 2.7 Apoyo deslizante plano - Universidad Católica del Maule (Chile) 34

Fig. 2.8 Combinación de apoyo deslizante y aislador elastomérico - BERRY

STREET PROJECT (EEUU) .................................................................... 34

Fig. 2.9 Masificación de edificios sísmicamente aislados en Japón, luego

del terremoto de Kobe de 1995 ............................................................... 35

Fig. 2.10 Aplicación apoyo deslizante - Hospital Takasu (Japón) ............ 41

Fig. 2.11 San Francisco City Hall (EEUU)................................................ 41

Fig. 2.12 Puente Golden Gate, San Francisco (EEUU) ........................... 42

xv

Fig. 3.1 Espectro elástico de respuesta, en términos de aceleración,

Ejemplo: correspondiente al terremoto de Turquía, 17/8/1999, registro YPT

................................................................................................................. 46

Fig. 3.2 Espectro de diseño considerado por las especificaciones ASCE/SEI

7-10 .......................................................................................................... 49

Fig. 3.3 Ejemplos de espectros de aceleración para diseño según

ASCE/SEI 7-10 y los espectros de desplazamiento calculados a partir de

los primeros ............................................................................................. 50

Fig. 3.4 Regla o concepto de igual desplazamiento entre un sistema elástico

y otro elasto-plástico ................................................................................ 55

Fig. 3.5 Regla o concepto de igual energía entre un sistema elástico y otro

elasto-plástico .......................................................................................... 56

Fig. 3.6 Respuesta global del sistema, con indicación de los factores R, Ωo

y Cd ......................................................................................................... 57

Fig. 3.7 Deflexión lateral de la estructura y definición de la distorsión de piso

................................................................................................................. 64

Fig. 3.8 Clasificación de los sistemas pasivos de disipación de energía . 71

Fig. 3.9 Clasificación de los distintos sistemas de protección sísmica ..... 72

Fig. 3.10 Deflexión lateral de la estructura y definición de la distorsión de

piso .......................................................................................................... 75

Fig. 3.11 Analogía hidráulica para explicar los criterios de diseño (a)

convencional, (b) con aisladores .............................................................. 77

Fig. 3.12 Clasificación de los sistemas estructurales sismo resistente para

construcciones de acero .......................................................................... 79

Fig. 3.13 Vista general de una estructura de pórticos no arriostrados para

un edificio comercial ................................................................................ 80

Fig. 3.14 Pórtico no arriostrado con vigas reticuladas, (a) segmento especial

con reticulado en X, y (b) segmento con panel Vierendeel ...................... 81

Fig. 3.15 Mecanismo de deformación plástica para casos típicos de pórticos

no arriostrado con viga reticulada ............................................................ 81

Fig. 3.16 Vista de un edificio en construcción con pórticos arriostrados .. 83

xvi

Fig. 3.17 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados

concéntricamente, (a) riostras en X, (b) en K, (c) en diagonal, (d) en V

invertida y (e) en V ................................................................................... 83

Fig. 3.18 Edificio “Hearst Tower”, en New York y Tokyo Sky Tree .......... 84

Fig. 3.19 Vista de un pórtico arriostrado de acero utilizado para la

rehabilitación de una estructura existente de hormigón armado .............. 85

Fig. 3.20 Ejemplo de rehabilitación mediante el agregado de riostras de

acero a una estructura de hormigón armado ........................................... 85

Fig. 3.21 Ejemplos de pórticos con arriostramientos excéntricos ............ 87

Fig. 3.22 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados

excéntricamente ....................................................................................... 87

Fig. 3.23 Diagramas de solicitaciones por acción sísmica, (a) momentos

flectores, (b) corte, y esfuerzos axiales .................................................... 89

Fig. 3.24 Detalle del enlace en un pórtico con arriostramientos Excéntricos

................................................................................................................. 90

Fig. 3.25 Esquema de una columna en voladizo y diagramas de

solicitaciones ............................................................................................ 91

Fig. 3.26 Ejemplos del sistema estructural columnas en voladizo (a), (b) y

(c) ............................................................................................................. 92

Fig. 3.27 Pórtico de acero con riostras de pandeo restringido ................. 93

Fig. 3.28 Vista de una riostra de pandeo restringido utilizada en nuevo

edificio de la Universidad de California, Berkeley .................................... 93

Fig. 3.29 Detalle de una riostra de pandeo restringido, formada por un

núcleo de acero de acero recubierto con una capa deslizante dentro de un

tubo exterior relleno con mortero de cemento.......................................... 94

Fig. 3.30 Esquema de muros de corte con placas de acero (a) sin aberturas

y (b) con aberturas ................................................................................... 95

Fig. 3.31 Ejemplo de muros de corte con placas de acero en un edificio en

construcción ............................................................................................. 96

Fig. 4.1 Componentes estructurales de un pórtico no arriostrado, (a) vista

general y (b) detalle de una conexión viga- columna ............................... 99

xvii

Fig. 4.2 Diagramas típicos de (a) momentos flectores y (b) esfuerzos de

corte en un pórtico sometido a la acción sísmica ................................... 100

Fig. 4.3 Comportamiento estructural, (a) Mecanismo de deformación

plástica y (b) respuesta corte basal - desplazamiento lateral................ 102

Fig. 4.4 Diagramas momento-rotación típico de conexiones totalmente

restringidas, parcialmente restringidas y articuladas ............................. 103

Fig. 4.5 Planta - Diagrama de Ubicación de Bloques ............................. 104

Fig. 4.6 Render - Vista general del proyecto a futuro ............................. 105

Fig. 4.7 Vista satelital de la implantación del Hospital Regional Docente

Ambato................................................................................................... 105

Fig. 4.8 Planta Arquitectónica Nv+ 3.96m .............................................. 106

Fig. 4.9 Elevación Fachada “Bloque E ................................................... 107

Fig. 4.10 Propiedades de hormigón fc=210kg/cm2 ................................ 108

Fig. 4.11 Propiedades de Acero A-36 .................................................... 109

Fig. 4.12 Malla de ejes ETABS .............................................................. 110

Fig. 4.13 Columna Compuesta C1COMP .............................................. 111

Fig. 4.14 Columna C2 ............................................................................ 111

Fig. 4.15 (V1) y (VS1) Viga I formada por perfiles simples .................... 112

Fig. 4.16 Conformación de la placa colaborante de entrepiso ............... 114

Fig. 4.17 (a) Vista elevación eje II secciones de los elementos-sentido X

............................................................................................................... 115

Fig. 4.18 (a) y (b) Vista 3D Estructura total del bloque E ....................... 116

Fig. 4.19 Carga muerta sobreimpuesta .................................................. 117

Fig. 4.20 Sobre carga de uso o carga viva............................................. 118

Fig. 4.21 (a) Cortante basal de diseño dado al programa para sismo en X

............................................................................................................... 121

Fig. 4.22 Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el

sismo de diseño ..................................................................................... 122

Fig. 4.23 Espectro sísmico elástico e inelástico de aceleraciones que

representa el sismo de diseño ............................................................... 125

xviii

Fig. 4.24 Espectro sísmico inelástico de aceleraciones que representa el

sismo de diseño importado desde el Excel al programa ETABS ........... 126

Fig. 4.25 Creación de diafragmas para cada nivel del edificio ............... 127

Fig. 4.26 Diafragma de entrepiso asignado ........................................... 128

Fig. 4.27 Asignación de fuente de masas por sus cargas ...................... 128

Fig. 4.28 Vista general del diseño de los elementos en forma optima ... 129

Fig. 4.29 Pórtico eje 27 sentido Y (resultado óptimo del diseño de vigas y

columnas principales) ............................................................................ 130

Fig. 4.30 Pórtico eje HH sentido X (resultado óptimo del diseño de vigas y

columnas principales) ............................................................................ 130

Fig. 4.31 Planta Nv+3.96m (diseño de vigas secundarias donde se apoya

la placa colaborante “Steel deck”) .......................................................... 131

Fig. 4.32 Derivas producidas por el sismo en sentido X, están dentro del

margen las derivas son menores al 0.007 ............................................. 132

Fig. 4.33 Derivas producidas por el sismo en sentido Y, están dentro del

margen las derivas son menores al 0.007 ............................................. 133

Fig. 4.34 Visualización del diagrama de derivas máximas por piso ....... 133

Fig. 4.35 Cuadro de derivas producidas por el sismo en X y sismo en Y

............................................................................................................... 134

Fig. 4.36 Visualización grafica de los máximos desplazamientos en cada

piso por efecto de las fuerza laterales ................................................... 135

Fig. 4.37 Visualización gráfica del Cortante Dinámico en todos los pisos

............................................................................................................... 135

Fig. 4.38 Visualización del peso del edificio ........................................... 136

Fig. 4.39 Cuadro del cortante Dinámico en cada piso resultante de los

efectos sísmicos en X e Y ...................................................................... 136

Fig. 4.40 Visualización de los 3 primeros periodos de vibración ............ 137

Fig. 4.41 Cuadro periodos de vibración del edificio ............................... 137

Fig. 4.42 Visualización de los periodos de vibración dentro del espectro de

aceleraciones ......................................................................................... 138

Fig. 5.1 Efecto de la aislación en el comportamiento dinámico.............. 139

xix

Fig. 5.2 Relación entre periodo, amortiguamiento y desplazamiento ..... 141

Fig. 5.3 Modelo usado para representar el comportamiento de los

aisladores LRB ....................................................................................... 153

Fig. 5.4 Esquema de espectros a considerados en el diseño de aisladores

............................................................................................................... 154

Fig. 5.5 Esquemas del aislador elegido del catálogo DIS ...................... 163

Fig. 5.6 Panta de asignación de elementos link LRB ............................. 164

Fig. 5.7 (a) y (b) Vista tridimensional del edificio con aisladores tipo LRB

............................................................................................................... 165

Fig. 5.8 (a) Pantalla de ingreso de propiedades para un aislador, (b)

Pantalla de ingreso de propiedades en la dirección vertical, (c) y (d) pantalla

de ingreso de propiedades en la dirección lateral .................................. 166

Fig. 5.9 Vista del edificio en 3D, elevación X-X, elevación Y-Y.............. 167

Fig. 6.1 Esquema de aislador elastómero reforzado con núcleo de plomo

............................................................................................................... 170

Fig. 6.2 Modelo dinámico No lineal ........................................................ 170

Fig. 6.3 Curva histerética de Z versus X con β = 0.5 y γ = 0.5 ............... 172

Fig. 6.4 Comportamiento de la variable Z con A = 1, α= 0.6, β=γ= 0.5, y

distintos valores de n ............................................................................. 172

Fig. 6.5 Verificación del comportamiento del aislador ............................ 176

Fig. 6.6 Ejemplo: Curvas histeréticas de un aislador LRB, de diámetro

exterior 90 cm, diámetro de plomo 15 cm, de 20 capas de goma de 8 mm,

analizados para el proyecto del Hospital Militar - Chile .......................... 178

Fig. 6.7 Modos de vibración Edifico Aislado con aplicación del Sistema LRB

............................................................................................................... 180

Fig. 6.8 Forma de desplazarse del edifico producto de la aplicación del

sistema de protección sísmica ............................................................... 181

Fig. 6.9 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del

espectro símico en X ............................................................................. 182

Fig. 6.10 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del

espectro símico en Y ............................................................................. 182

xx

Fig. 6.11 (a) y (b) Diagrama de máximos desplazamientos en X e Y de

entrepisos en cm .................................................................................... 185

Fig. 6.12 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos .................... 186

Fig. 6.13 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos .................... 186

Fig. 6.14 Esquema disminución de Aceleración espectral en una estructura

aislada y una sin aislar ........................................................................... 187

Fig. 6.15 Esquema fuerza de piso en Y por efecto de cargas laterales . 188

Fig. 6.16 Esquema fuerza de piso en X por efecto de cargas laterales . 189

Fig. 6.17 Esquema Estructura sin aislar vs. Estructura aislada ............. 190

Fig. 6.18 Diagrama desplazamientos máximos entre la estructura aislada y

sin aislar ................................................................................................. 191

Fig. 6.19 Diagrama derivas máximas entre la estructura aislada y sin aislar

............................................................................................................... 192


............................................................................................................... 193

Fig. 6.21 Diagrama cortante basal estructura sin aislar ......................... 194

Fig. 6.22 Diagrama cortante basal estructura aislada ............................ 194

Fig. 6.23 Cimentación Sistema de aislación .......................................... 195

Fig. 6.24 Esquema corte de una losa aligerada ..................................... 197

Fig. 6.25 (a) y (b) Esquematización 3D losa de piso Nv+/-0.00 en la

superestructura ...................................................................................... 199

Fig. 6.26 (a) viga intermedia o atiesadora, (b) viga principal de losa para el

sistema de aislación de losa de piso Nv+/-0.00 en la superestructura... 200

Fig. 6.27 (a) Combinación NEC-11 estimando el sismo en Y (b)

combinación estimando sismo en X ....................................................... 201

Fig. 6.28 (a) Refuerzo longitudinal en cm y (b) porcentaje de cuantía

requerido en las vigas del sistema de aislación de la superestructura Nv+/-

0.00 ........................................................................................................ 202

Fig. 6.29 Sistema de aislación sísmica LRB .......................................... 203

Fig. 6.30 Sistema de aislación sísmica LRB .......................................... 204

xxi

Fig. 6.31 Sistema de aislación sísmica LRB para Bloque E Hospital

Regional Docente Ambato ..................................................................... 205

Fig. 6.32 Nivelación plancha de anclaje previo al hormigonado del apoyo

del aislador LRB ..................................................................................... 206

Fig. 7.1 Estimación de costos para los aisladores según su tamaño ..... 213

xxii

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1 RANKING DE TERREMOTOS MÁS DESTRUCTIVOS A NIVEL

MUNDIAL DESDE 1900............................................................................. 9

Tabla 1.2 ESCALA DE MERCALI ............................................................ 10

Tabla 1.3. Estadísticas para el año 2013 del número de sismos por tipo de

fuente: cortical o subducción.................................................................... 12

Tabla 1.4Efectos causados por los terremotos con intensidad VIII o superior

................................................................................................................. 16

Tabla 2.1 Tipo de uso, destino e importancia de la estructura ................. 27

Tabla 3.1 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras de acero

según ASCE/SEI 7-10. ............................................................................ 61

Tabla 3.2 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras mixtas de

acero y hormigón según ASCE/SEI 7-10. ............................................... 62

Tabla 4.1 Sobrecargas mínimas uniformemente distribuidas, Lo y

concentradas (Po) .................................................................................. 117

Tabla 5.1 Coeficiente de amortiguamiento Bd. ....................................... 145

Tabla 5.2 Criterios mínimos para el análisis dinámico ........................... 148

Tabla 5.3 Características del edificio analizado ..................................... 150

Tabla 5.4 Valor numérico relacionado con el amortiguamiento efectivo 155

Tabla 5.5 Características físicas y mecánicas de los aisladores DIS .... 158

Tabla 5.6 Resumen características físicas y mecánicas del aislador

calculado ................................................................................................ 162

Tabla 6.1 Resultados del análisis modal del Edificio BLOQUE DE

HOSPITALIZACIÓN E con el sistema LRB............................................ 179

Tabla 6.2 Deformación en la base del sistema de aislación Edificio

“BLOQUE E” DE HOSPITALIZACIÓN con el sistema LRB ................... 181

Tabla 6.3 Derivas totales de entrepiso para el sistema aislado producto del

espectro sísmico X e Y .......................................................................... 184

Tabla 6.4 Aceleraciones producidas por el espectro sísmico X e Y ....... 186

Tabla 6.5 Respuesta de corte basal en edifico aislado con el sistema LRB

............................................................................................................... 188

xxiii

Tabla 6.6 Comparación desplazamientos máximos de piso entre el sistema

Aislado y el Sistema sin Aislar ............................................................... 190

Tabla 6.7 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin

Aislar ...................................................................................................... 191

Tabla 6.8 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin

Aislar ...................................................................................................... 192

Tabla 6.9 Comparación de fuerzas de corte basal entre el sistema Aislado

y el Sistema sin Aislar ............................................................................ 193

Tabla 6.10 Calculo inercia de una losa aligerada de 30cm de altura ..... 197

Tabla 6.11 Calculo inercia de una losa maciza de 30cm de altura ....... 197

Tabla 7.1 Comparación de costos según volúmenes de obra entre

estructura original y asilada ................................................................... 211

Tabla 7.2 Comparación de volúmenes de obra entre estructura original y

asilada.................................................................................................... 212

Tabla 7.3 Niveles de daño propuestos por Ghobarah et al (1997) ......... 216

Tabla 7.4 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1L

............................................................................................................... 217

Tabla 7.5 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1M

............................................................................................................... 217

xxiv

LISTA DE ECUACIONES

(Ec. 3.1) Aceleraciones espectrales de referencia para el terremoto máximo

considerado ............................................................................................. 48

(Ec. 3.2) Periodos de transición ............................................................... 49

(Ec. 3.3) Factor R ..................................................................................... 56

(Ec. 3.4) Desplazamiento de diseño ........................................................ 62

(Ec. 3.5) Distorsión Relativa de piso ........................................................ 63

(Ec. 3.6) Distorsión Total de piso ............................................................. 63

(Ec. 3.7) Factor de Redundancia ............................................................. 65

(Ec. 3.8) Efecto de carga sísmica ............................................................ 67

(Ec. 3.9) Efecto de carga sísmica ............................................................ 67

(Ec. 3.10) Suma de fuerzas inerciales para ecuación de equilibrio dinámico

................................................................................................................. 75

(Ec. 3.11) Aceleración total – Efecto estructural sistemas pasivos .......... 75

(Ec. 3.12) Ecuación equivalente de energía ............................................ 76

(Ec. 5.1) Desplazamiento Lateral de diseño .......................................... 144

(Ec. 5.2) Periodo efectivo propuesto por los aisladores ......................... 145

(Ec. 5.3) Mínima fuerza cortante en la base del edificio......................... 146

(Ec. 5.4) Mínima fuerza cortante usada para elementos por encima del

sistema de aislamiento........................................................................... 146

(Ec. 5.5) Desplazamiento máximo aislador ............................................ 147

(Ec. 5.6) Desplazamiento máximo total ................................................. 147

(Ec. 5.7) Aceleración .............................................................................. 154

(Ec. 5.8) Aceleración espectral de diseño (Sismo de Diseño) ............... 154

(Ec. 5.9) Aceleración espectral de diseño (Sismo máximo de Diseño) .. 154

(Ec. 5.10) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 1 ........... 156

(Ec. 5.11) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 2 ........... 157

(Ec. 5.12) Diámetro del núcleo de plomo del aislador ............................ 159

(Ec. 5.13) Altura del aislador .................................................................. 159

(Ec. 5.14) Calculo rigidez secundaria o rigidez de recuperación ........... 160

(Ec. 5.15) Rigidez efectiva ..................................................................... 160

xxv

(Ec. 5.16) Amortiguamiento efectivo ...................................................... 160

(Ec. 5.17) Rigidez Vertical...................................................................... 161

(Ec. 5.18) Modulo Elasticidad (Conjunto láminas de caucho y acero) ... 161

(Ec. 6.1) Fuerza de restauración – Modelo Histerético WEN ................. 170

(Ec. 6.2) Parámetro Histerético – Ecuación diferencial no lineal ............ 171

xxvi

LISTA DE PLANOS

PLANOS ESTRUCTURA AISLADA

Plano 1. Planta de Cimentación Nv+/-0.00 ............................................1EA

Plano 2. Cimentación – Subestructura Nv-3.85 .....................................2EA

PLANOS ESTRUCTURA CONVENCIONAL

Plano 3. Cimentación Estructura Convencional Nv-2.50 ...................... 1EC

xxvii

RESUMEN

ANÁLISIS Y REDISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN

ACERO CON AISLADORES SÍSMICOS “BLOQUE-E DEL HOSPITAL

REGIONAL DE AMBATO” MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA

ETABS (Análisis Comparativo de Comportamiento y Costos).

Esta investigación está orientada a la metodología de cálculo de

edificaciones con dispositivos pasivos de disipación de energía. Los

dispositivos pasivos son elementos de carácter reactivo, cuya respuesta no

es controlable y depende únicamente de las condiciones de trabajo en que

se encuentran. Estos intervienen alterando las propiedades dinámicas del

edificio y provocando una reducción de su respuesta estructural, ventajas

económicas.

El edificio en estudio es el Bloque de Hospitalización “E”, el cual está

formado por un Sistema Estructural Sismo Resistente de Pórticos no

arriostrados en Acero, formada por vigas tipo I y columnas rectangulares

huecas diseñadas con la norma AISC y NEC-11 y que se complementa con

la aplicación de Aisladores Elastoméricos LRB, para finalmente establecer

un análisis comparativo de comportamiento y costos con los resultados que

el programa computacional ETABS presenta en análisis entre una

estructura de base fija con la de una estructura aislada.

DESCRIPTORES: AISLACIÓN SÍSMICA/ ESPECTRO DE DISEÑO/

NORMA NEC-11/ ESTRUCTURA SISMO RESISTENTE/ AISLADORES

ELASTOMÉRICOS/ AISLADORES LRB/ ANÁLISIS SÍSMICO / ANÁLISIS

DINÁMICO ESTRUCTURAL.

xxviii

ABSTRACT

ANALYSIS AND REDESING OF THE FOUNDATIONS OF A STEEL

BUILDING WITH SEISMIC ISOLATOR “BLOCK E OF THE REGIONAL

HOSPITAL OF AMBATO” MODELING IN THE SOFTWARE ETABS

(Comparative Analysis of Behavior and Costs).

This research deals whit the methodology of calculation of buildings with

passive energy dissipation devices. The passive decives are elements of

reactive nature whose response is not controllable and depends only on the

work conditions of their environment. These devices act by modifying the

dynamic properties of the building and then provoking a reduction of its

structure response, which has economical advantages.

The studied building is the block E of the aforementioned Hospital,

composed by a Earthquake Resistant Structural System of Unbraced Steel

Frames, made up of type I beams and hollow rectangular columns designed

under the standards AISC and NEC-11, complemented by the installation

of LRB elastomeric isolators, in order to conduct a comparative analysis of

behavior and costs thanks to the results of the ETABS software between a

fixed base structure and an isolated structure.

DESCRIPTORS: SEISMIC ISOLATION/ DESING SPECTRUM/

STANDARD NEC-11/ EARTHQUAKE RESISTANT STRUCTURE/

ELASTUMERIC ISOLATORS/ LRB ISOLATORS/ SEISMIC ANALYSIS/

DYNAMIC STRUCTURAL ANALYSIS.

xxix

xxx

xxxi

1

CAPITULO I

1. INTRODUCCIÓN

En los últimos años los investigadores en el área de la mecánica estructural,

han ido incrementando diversos cuidados, con la finalidad que los edificios

sean diseñados acorde con los requerimientos mínimos de fuerza lateral

de los códigos de diseño. Recientes sismos han mostrado que los edificios

diseñados y construidos de acuerdo a los códigos más recientes proveen

una buena respuesta, pero el costo de reparación de daños y el tiempo

necesario para implementar estas reparaciones son más grandes que las

anticipadas. Diversos esfuerzos en Estados Unidos, Japón, Rusia y entre

otros países se han centrado en desarrollar criterios de diseño sísmico y

procedimientos para asegurar objetivos específicos de desempeño. El

incremento en las fuerzas de diseño no mejora todos los aspectos del

desempeño. Tres técnicas innovadoras han sido propuestas para usarse

individualmente o en combinación, con la finalidad de mejorar el

desempeño sísmico de los edificios: aislamiento sísmico, dispositivos

suplementarios de disipación de energía y control estructural activo o

híbrido.

Esta investigación está orientada a la metodología de cálculo de

edificaciones con dispositivos pasivos de disipación de energía. Los

dispositivos pasivos son elementos de carácter reactivo, cuya respuesta no

es controlable y depende únicamente de las condiciones de trabajo en que

se encuentran. Estos intervienen alterando las propiedades dinámicas del

edificio y provocando una reducción de su respuesta estructural, teniendo

ventajas económicas.

Los sistemas de control pasivo se pueden clasificar en control pasivo con

aislamiento en la base, control pasivo con sistemas inerciales acoplados y

control pasivo con disipadores de energía. Los sistemas pasivos son los

dispositivos de protección sísmica más comúnmente utilizados en la

actualidad.

2

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, es que serán tratados con mayor detalle en los próximos capítulos.

1.1 Antecedentes Generales

La historia sísmica del Ecuador está llena de dolorosas experiencias,

producto de grandes catástrofes que dejaron a su paso muerte y

destrucción a lo largo y ancho de todo el territorio nacional. En términos

generales, si tomamos en cuenta los temblores de pequeña magnitud que

no son sentidos por las personas y son detectados únicamente por los

sismógrafos, el número de sismos que se registran en nuestro territorio

pueden sumar decenas de miles por año. Dentro de esta gran cantidad de

actividad sísmica, de tiempo en tiempo ocurren grandes terremotos, cuya

historia se inicia en 1541. Hasta la actualidad, en un lapso de 473 años,

han ocurrido en nuestro territorio 37 terremotos de intensidad igual o mayor

a VIII (Escala Internacional de Mercalli), grado a partir del cual, los efectos

son de consideración.

Y si se toma en cuenta los sismos a partir de la intensidad VI, (que es el

grado desde el cual se presentan daños leves), hay que añadir 96 eventos

que han causado daños desde leves hasta moderados1.

Ecuador es un país sísmico y por ende, toda estructura debe ser diseñada

para resistir este tipo de solicitaciones. El objetivo de la ingeniería sismo

resistente es la protección de la vida y así, su evolución sólo puede tender

a la mejora del comportamiento sísmico de las edificaciones para reducir el

riesgo de colapso.

1Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología

3

Por otro lado, se debe asegurar el funcionamiento de aquellas edificaciones

vitales en caso de una emergencia, cambiando el objetivo de diseño para

mantener la operatividad de este tipo de estructuras. Sin embargo, diseñar

edificaciones convencionales que no sufran daños durante un sismo puede

resultar muy costoso o difícil si la estructura planteada interfiere con los

requerimientos arquitectónicos, mecánicos, etc.

En consecuencia, para mejorar el comportamiento de ciertas edificaciones

e incluso poder diseñar a fin de evitar cualquier daño a la estructura y sus

contenidos, conviene considerar un sistema de aislamiento que modifique

las características dinámicas de la estructura.

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 Ecuador, al igual que los países que estamos en Sudamérica,

sobre todo cerca de la Costa del Pacífico, estamos afectados por las placas

de Nazca y la Sudamericana, que chocan entre sí. Pero aparte, Ecuador

está atravesado por la falla geológica Guayaquil Caracas que atraviesa

todo Quito, misma que pasa por la Isla Santa Clara y la Isla Puná,

atravesando los Andes hasta llegar a Caracas en Venezuela y además,

estamos en el cordón volcánico2.

Si bien es preciso reconocer el excelente desempeño estructural de las

edificaciones, no se puede concluir lo mismo en materia de protección de

función, preservación de contenidos y percepción de la población. Por estas

razones, resulta necesario promover en nuestro medio el uso de

tecnologías, probadas a nivel nacional e internacional y reconocidas por la

comunidad profesional, orientadas a mejorar la respuesta sísmica de las

2 INOCAR-Instituto Oceanográfico de la Armada

4

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 la cimentación, en el daño de elementos

estructurales tales como muros, vigas, losas, columnas, unión viga-

columna, conexiones, y en la interacción entre el sistema estructural y

sistemas no estructurales.

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 cimentación (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

5

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,

hospitales y patrimoniales, entre otros.

1.1.1 Ingeniería Sísmica

La sismicidad, que originalmente ha sido considerada como la distribución

espacio-tiempo de los terremotos en la Tierra y de sus efectos destructivos,

obtenidos a partir de la recopilación histórica de los datos, ha dado origen

a los catálogos sísmicos. Con los avances de la sismología instrumental y

el desarrollo de nuevos conceptos teóricos en el marco de la sismología,

se han confeccionado catálogos cada vez más completos, que incluyen

datos como magnitud, duración, coordenadas exactas del foco, dirección

de propagación, profundidad, etc. En los nuevos estudios de sismicidad se

relaciona la actividad sísmica con su distribución espacial y temporal, e

incluso se correlaciona con las características fisiográficas y geológicas de

cada región. Como por ejemplo en la figura1.1 se muestra la sismicidad de

América Central y América del Sur (Bolt 1985).

La distribución geográfica de los epicentros de los terremotos en el planeta

muestra cuales son las zonas sísmicas más activas. El denominado

cinturón Circum-Pacifico, que tiene una extensión de 40000km, comprende

toda la parte oeste del continente Americano, desde Alaska hasta el sur de

Chile y desde la parte norte de las Islas Aleutianas, siguiendo las islas del

Japón, Indonesia, Nueva Zelanda, hasta las islas Fiji y Honda Sur. Un 85%

6

de la energía total liberada por los terremotos anualmente en el mundo

corresponde a dicha zona.3

Fig. 1.1Distribución sísmica en América Central, Sur y en sus zonas oceánicas.

(Bolt 1985)

Los principales objetivos de la Ingeniería Sísmica son:

Entender la interacción entre los edificios y la infraestructura con el

subsuelo.

Prever las potenciales consecuencias de fuertes terremotos en

áreas urbanas y sus efectos en la infraestructura.

Diseñar, construir y mantener estructuras que resistan a la

exposición de un terremoto, más allá de las expectaciones y en total

cumplimiento de los reglamentos de construcción.

Una estructura apropiadamente diseñada no necesita ser

extraordinariamente fuerte o cara. Las más poderosas y costosas

herramientas para la ingeniería sísmica son las tecnologías de

control de la vibración y en particular, el aislamiento de la base o

cimentación.

3 Luis M. Bozzo; Alex H. Barbat. Diseño Sismo Resistente de Edificios. Técnicas Convencionales y Avanzadas. Aspectos de Sismología. Pág. 8

7

Sismos originados en las fallas geológicas4

El territorio ecuatoriano está prácticamente surcado en su totalidad por

sistemas o conjuntos de fallas geológicas, entre las cuales unas son más

activas que otras, es decir que la cantidad, frecuencia y magnitud de los

eventos generados por una falla geológica determinada es variable, lo cual

hace que ciertas regiones sean sísmicamente más activas que otras.

Dentro de los principales sistemas de fallas geológicas que atraviesan

nuestro territorio se destacan el Sistema principal dextral de fallas, que

atraviesa el territorio desde el nororiente hasta el golfo de Guayaquil. Este

sistema de fallas ha originado la mayoría de los grandes terremotos que

han azotado principalmente a la región Interandina. El otro sistema

importante es el denominado de fallas inversas, de las estribaciones de la

Cordillera Real, donde se originó el primer gran terremoto conocido en el

Ecuador (1541) y el sismo del 5 de marzo de 1987, entre otros.

Las profundidades de los sismos originados por fallas tectónicas, varían

desde superficiales, hasta profundidad media, que es el rango de

profundidad de la gran mayoría de los sismos ecuatorianos.

Fig. 1.2 Fallas geológicas del Ecuador

4 Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología

8

Sismos originados por la subducción5

El proceso de subducción de la placa oceánica de Nazca bajo la placa

continental de Sudamérica, es otra de las fuentes sísmicas en nuestro

territorio.

Estos sismos generalmente son superficiales en la plataforma submarina y

en la costa continental y tienen profundidades mayores, conforme se

adentran en el continente, de acuerdo al ángulo de la subducción. Los

grandes sismos de Esmeraldas de 1906, 1958 y 1979, así como el sismo

de Bahía de Caráquez del año 1998 ocurrieron en este sistema.

Fig. 1.3 Sismo por Subducción

Sismos de origen volcánico6

Siendo el Ecuador un país altamente volcánico, es natural que haya tenido

que experimentar sismos asociados con esta actividad geológica. La

energía de estos sismos no es suficiente para que se propaguen a grandes

distancias ni para que causen daños. Así, la mayoría pasan inadvertidos

por las personas.

Estos sismos ocurren continuamente en los volcanes activos y como

actividad premonitora de las erupciones. En vista de que estos sismos

tienen relación con los procesos eruptivos que se generan en la cámara

magmática de los volcanes y por el ascenso de los materiales a través de

la chimenea del volcán, la profundidad de los sismos de origen volcánico

es superficial o muy somera.

5 Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología 6 Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología

9

Fig. 1.4 Eventos de Actividad volcánica

Tabla 1.1 RANKING DE TERREMOTOS MÁS DESTRUCTIVOS A NIVEL MUNDIAL

DESDE 1900

Fuente: USGS -United States Geological Survey (www.usgs.gov)

10

Tabla 1.2 ESCALA DE MERCALI

GRADO EFECTOS

I IMPERCEPTIBLE. Detectado solo por los sismógrafos.

II APENAS PERCEPTIBLE. Sentido solo por personas en reposo, especialmente en pisos altos.

III DEBIL, SENTIDO PARCIALMENTE. Sentido por pocos en interiores. Objetos colgantes oscilan levemente. Oscilaciones mayores en pisos altos.

IV SENTIDO POR MUCHOS. Sentido por muchas personas pero pocas se asustan. Vibración como el paso de un vehículo pesado. Vibración de puertas y ventanas. Crujido de pisos.

V PERSONAS SE DESPIERTAN. Sentido por todas las personas. Algunas personas corren hacia el exterior. Objetos inestables se desplazan o se viran. Se riegan líquidos. Algunos péndulos se paran. Posibles daños leves en casas de mala calidad.

VI PERSONAS SE ASUSTAN. Alarma. Muchos corren al exterior. Algunos pierden el equilibrio. Fisuras en enlucidos y tumbados, pueden desprenderse algunos trozos. En algunos casos pueden aparecer grietas hasta de 1 cm, en terrenos flojos.

VII DAÑOS EN LOS EDIFICIOS. Alarma general. Muchas personas tienen dificultad al caminar. Daños leves en algunos edificios de concreto y en muchos de ladrillo. Efectos serios en construcciones de adobe. Grietas en las paredes de ladrillo o bloque. Deslizamientos pequeños en taludes. Grietas pequeñas en carreteras. Se forman olas en el agua.

VIII DAÑOS SEVEROS EN EDIFICIOS. Susto general y pánico. Sentido en vehículos en marcha. Se mueven muebles pesados. Daños considerables en mampostería de edificios de ladrillo y de concreto, destrucción parcial de casas de adobe o tapia. Se rompen tuberías. Derrumbes en pendientes y taludes. Grietas de varios centímetros en el terreno.

IX DAÑO GENERAL EN EDIFICIOS. Pánico general. Los animales se asustan. Muebles destruidos. Destrucción parcial de muchos edificios de ladrillo. Colapso total de construcciones de adobe. Grietas en terreno hasta de 10 cm. Muchas grietas en terreno llano. Muchos derrumbes y deslizamientos importantes. Grandes olas en la superficie del agua.

X DESTRUCCIÓN GENERAL DE EDIFICIOS. Destrucción parcial de edificios bien construidos y total en construcciones de menor calidad. Colapso total de la mayoría de construcciones de adobe. Daños severos en represas, diques y puentes. Rieles del tren se deforman. Grietas hasta de un metro en el terreno. Grandes deslizamientos en laderas y orillas de ríos.

XI CATÁSTROFE. Daños severos incluso en edificios reforzados. Edificios de buena calidad pueden colapsar totalmente. Destrucción de puentes bien construidos y represas. Carreteras destruidas. El terreno se fractura considerablemente. Derrumbes de grandes proporciones.

XII DESTRUCCIÓN TOTAL, CAMBIO EN EL PAISAJE. Graves daños o destrucción total de todas las estructuras ubicadas sobre o bajo el nivel del suelo. Cambia radicalmente la superficie del terreno. Amplios movimientos verticales del terreno. Cambio radical en la topografía.

FUENTE: Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013

11

Caracterización de la sismicidad del Ecuador durante el año 20137

Fig. 1.5 Comparación del número de eventos registrados vs. Número de eventos de

magnitud igual o superior a 4.0 grados desde el año 2000 hasta el 2013

En el 2013, el Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología (SENASV)

del Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional, localizó un total

de 2420 eventos sísmicos con magnitudes que varían entre<1(en las áreas

donde la red tiende a ser más densa) hasta 6.5Mb (magnitud de coda). Con

respecto a años anteriores, el número total está dentro de los mismos

rangos. En el 2013los eventos símicos que superaron la magnitud de 4.0

representan el 8.22% del total.

El origen de estos eventos sísmicos tienen dos fuentes principales: debidos

al fallamiento cortical que afecta al Bloque Norandino y a la Placa

Sudamericana y al procesos de subducción de la Placa Oceánica Nazca

bajo el Bloque Norandino y la Placa Sudamericana.

En la tabla 1.3 se presenta una estadística general de la sismicidad desde

este punto de vista.

Los sismos corticales superan en número a los sismos de subducción,

aunque no en cuanto a la liberación de energía, ya que la mayor parte de

7 Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013

12

sismos que superan la magnitud5.0 Mb corresponden a las fuentes de

subducción.

Tabla 1.3. Estadísticas para el año 2013 del número de sismos por tipo de fuente:

cortical o subducción

Zona N° Total de

eventos N° Eventos entre 4 y 5

N° Eventos iguales o mayores a 5

Sismos corticales

1935 79.96% 93 3.84% 7 0.29

Sismos de la subducción

485 20.04% 96 3.55% 13 0.54%

1. Sismos corticales

En el año 2013, la actividad sísmica en la corteza continental (fuentes

corticales) muestra una distribución mensual relativamente homogénea,

exceptuando el enjambre sísmico ocurrido en las cercanías del volcán

Chiles. El número máximo de eventos por mes fue de 262 y el mínimo de

73, resultando en un promedio de 161.2 sismos por mes. Los eventos que

superaron los 4 grados fueron 15 como valor máximo y 3 eventos como

valor mínimo, resultando en un promedio de 8.2 eventos por mes.

Examinando la actividad sísmica de cada fuente cortical. La fuente de

Pallatanga- Pisayambo en la que se ubica el nido sísmico de Pisayambo,

al igual que en años anteriores, presenta mayor número de sismos (272

eventos), seguido por la fuente de Apuela - Huayrapungo (252 eventos). El

aumento en el número de sismos en esta fuente e incluso en la fuente de

El Ángel-San Gabriel es atribuido al enjambre registrado entre los meses

de julio a noviembre en el sector del Volcán Chiles, (frontera con Colombia).

En tercer lugar la fuente Canandé – San Lorenzo (214 sismos) seguida por

las fuentes Cuenca - Amotape (161 eventos), Cutucú (135 eventos), Macas

(115) y Quito (101 eventos). El resto de fuentes presentó una actividad

sísmica menor a los 100 eventos durante este año.

13

Fig. 1.6 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año 2013

en las fuentes corticales

14

2. Sismos de la subducción

En cuanto a la sismicidad asociada a la subducción, se registró un total de 485

eventos, 99 de los cuales poseen magnitudes superiores a los 4.0 grados y de

estos 13 sobrepasan los 5.0 grados Mb.

Fig. 1.7 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año 2013

en las fuentes de subducción

15

Sismos con intensidad VIII8

Los terremotos de intensidad igual o mayor a VIII (Escala de Mercalli)

constituyen aquellos eventos cuyos efectos son considerables o

catastróficos.

Se ha extraído del Catálogo de Terremotos del Ecuador aquellos sismos

que caen en estas categorías (Tabla 1.3) ocurridos entre 1541 y 1999. Se

debe recordar que el último terremoto de esta categoría ocurrió en la

provincia de Manabí en 1998, el cual afecto la ciudad de Bahía de

Caráquez (la intensidad máxima de este evento fue de VIII).

Sismos con intensidad VII9

Los terremotos de intensidad VII, sin ser tan catastróficos como los de

grados superiores, pueden ser de consideración especialmente en las

construcciones de adobe, típicas de los sectores rurales y periféricos de las

ciudades, principalmente en la serranía ecuatoriana. Por consiguiente,

estos terremotos afectan en particular a las clases sociales de menores

recursos que habitan ese tipo de construcciones y a las casas y

monumentos coloniales.

Los macrosismos de intensidad VII que han tenido lugar en nuestro

territorio a partir de 1541 totalizan 47. Las pérdidas económicas resultantes

de estos terremotos también son cuantiosas, con la particularidad de que

para los damnificados es más complicado resarcirse de las pérdidas por

cuanto, como se dijo, la gran mayoría es de bajos ingresos. También el

daño que causan a los monumentos históricos en ocasiones es irreparable.

No ocurre lo mismo con las pérdidas de vidas que con estos eventos solo

representan un mínimo porcentaje del gran total.

8 Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013 9Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013

16

La intensidad VI es aquella a partir de la cual se presentan daños

moderados en las construcciones, sin afectarlas estructuralmente y, por

ende, son fácilmente reparables y con inversiones relativamente bajas.

Sismos de estas características han ocurrido 49 en el lapso de nuestro

estudio

Tabla 1.4Efectos causados por los terremotos con intensidad VIII o superior

Fecha

1541-04-

00

Destruido un pueblo de unas 60 casas en la falda oriental de la Cordillera Real. Sentido en

Quito

1645-03-

15

Muchos temblores al comienzo de este año, sentidos en Quito y Riobamba, hasta febrero en

que ocurre un terremoto que causó graves estragos en toda la comarca. El terremoto originó

desprendimientos internos en el volcán Tungurahua. Innumerables réplicas. Muchos muertos.

1757-02-

22

Gran terremoto de Latacunga y su jurisdicción. Destrucción de iglesias y casas en la ciudad y

en los pueblos vecinos. Murieron más de 4000 personas. Efectos considerables en Tungurahua.

Réplicas continúas de variada intensidad durante los siguientes días.

1834-01-

20

Terremoto en la frontera Ecuador-Colombia.

En Ecuador solo se conoce que los efectos fueron severos en Tulcán y se lo sintió fuertemente

hasta Ibarra. Con seguridad se puede deducir que deben haberse producido daños en otras

poblaciones fronterizas ecuatorianas. En las ciudades y poblaciones fronterizas colombianas,

las consecuencias fueron catastróficas ya que la intensidad máxima alcanzó el grado XI de la

escala Mercalli Modificada, lo cual significa que las poblaciones fueron prácticamente

arrasadas.

1906-01-

31

Gran terremoto con epicentro en el Océano Pacífico, frente a las costas de la frontera Ecuador-

Colombia.

Se generó un tsunami de grandes proporciones.

Este sismo, por su magnitud, es el quinto más fuerte que se ha registrado en el mundo, desde

que existen los sismógrafos.

Sus efectos fueron muy graves en la provincia de Esmeraldas y en el Sur de Colombia y no

fueron mayores por cuanto el epicentro fue en el mar, alejado de la costa y por cuanto en esa

época la zona se encontraba muy poco poblada.

En Limones desaparecieron bajo las aguas cuatro islas.

Daños en las provincias norteñas de la Sierra.

1998-08-

04

Terremoto de severas consecuencias en la provincia de Manabí. Gran destrucción de edificios

en Bahía de Caráquez. Daños graves en Canoa, San Vicente y localidades cercanas. En otras

ciudades de Manabí los daños fueron de menor proporción.

FUENTE: Catálogo de Terremotos del Ecuador.- Intensidades- Instituto Geofísico, E.P.N; José Egred A.

17

1.1.2 Costos Económicos en Edificios Producidos por Sismos

En general, las enseñanzas que han dejado los movimientos sísmicos

indican que en los países donde se diseña con una buena normativa sismo

resistente, donde la construcción es sometida a una supervisión estricta y

donde el sismo de diseño es representativo de la amenaza sísmica real de

la zona, el daño sobre la infraestructura es marginal en comparación con el

observado en sitios donde no se han dado estas circunstancias.

La situación del Ecuador no es distinta a la de otros países en vías de

desarrollo, que al igual que el nuestro, experimentan un crecimiento rápido

de su población y una urbanización intensa, lo que podría ser un

crecimiento acelerado de las pérdidas causadas por los terremotos. Es por

esto que el estudio del riesgo sísmico, y su impacto en el desarrollo,

constituye un reto científico crucial para el siglo 21.

Además de todas las consideraciones en cuanto a mecanismos de

generación, forma de actuar y todo el análisis físico que se puede

desarrollar de un sismo, tenemos otros factor importante de estudio que

son los costos económicos que se pueden generar cuando se produce un

sismo de una intensidad considerable llamado terremoto.

En la magnitud de los costos económicos influyen varios factores la

magnitud del evento, su duración, el número de réplicas; características

propias del sismo y existen también las relacionadas directamente con la

construcción: los materiales utilizados, la geometría estructural, la

presencia de un diseño sismo resistente y finalmente características de la

sociedad en particular como es la concentración de población.

18

En términos esquemáticos, los efectos de un fenómeno natural se han

clasificado en:

a) aquellos que alteran un conjunto de bienes (daños directos);

b) los que se producen sobre los flujos de producción de bienes y servicios

(daños indirectos), y

c) los que se reflejan en el comportamiento de los grandes agregados

macroeconómicos (efectos macroeconómicos).

La evaluación ayudará a determinar el resultado neto (considerando los

efectos de ambos signos).Los daños directos se registran en el momento

del desastre, o pocas horas después; en cambio, los otros dos tipos se

resienten, dependiendo de la magnitud del fenómeno, en un lapso que

puede durar hasta cinco años. En eventos de gestación lenta o de larga

duración (como los climáticos, ya sean sequías o el fenómeno El Niño), los

daños directos ocurren en un lapso prolongado e incluso se duplican si

alguna infraestructura fue reparada o repuesta en un primer momento y

luego volvió a dañarse, como en el caso de puentes destruidos por

inundaciones repetidas. Sin embargo, la mayor parte de tales pérdidas son

de tipo indirecto, ya que suelen ser los flujos económicos los que se

interrumpen.

Desde el punto de vista de la apreciación rápida de los daños, los efectos

directos son relativamente más claros al momento de identificarse y

evaluarse, lo que no sucede con los efectos indirectos. Estos últimos se

manifiestan en períodos variables después del desastre y son, por lo tanto,

más difíciles de identificar en una apreciación rápida. Una gran mayoría de

estos efectos indirectos no aparecen al efectuarse dicha evaluación y,

aunque puedan detectarse en el momento de estimar los daños, no siempre

resulta posible medirlos en términos de unidades monetarias. Considérese

que los efectos indirectos de los desastres de larga duración (como sequías

o inundaciones prolongadas) se presentarán al menos durante el período

de incidencia del fenómeno que los origina.

19

DAÑOS DIRECTOS

Son todos aquellos sufridos por los activos inmovilizados y en las

existencias (tanto de bienes finales como de bienes en proceso, materias

primas, materiales y repuestos). Se trata en esencia, de perjuicios en los

conjuntos de bienes que acaecieron prácticamente durante el lapso mismo

en que ocurrió el siniestro. Entre los principales rubros que figuran en esta

categoría se consideran, la destrucción total o parcial de la infraestructura

física, edificios, instalaciones, maquinaria, equipos, medios de transporte y

almacenaje, mobiliario, perjuicios en las tierras de cultivo, en obras de

riego, embalses, etc.

Convencionalmente se ha optado también por incluir como un "daño

directo" el costo estimativo que se pagará por la demolición y limpieza de

áreas destruidas, ya que forman parte del presupuesto necesario para

reparar o reconstruir lo dañado y pueden tomarse en cuenta sin mayor

dificultad al calcular el costo del metro cuadrado de construcción.

DAÑOS INDIRECTOS

Se refieren básicamente, a los flujos de bienes que se dejan de producir o

de servicios que se dejan de prestar durante un lapso de tiempo, que se

inicia apenas ha ocurrido el desastre, y puede prolongarse durante el

proceso de rehabilitación y reconstrucción que convencionalmente se ha

establecido con un horizonte máxima de cinco años, aunque las mayores

pérdidas ocurren durante los dos primeros. En todo caso, el cálculo de su

efecto debe extenderse durante el lapso necesario para la recuperación

parcial o total de la capacidad productiva. Su ocurrencia deriva de los daños

directos que han afectado la capacidad productiva y la infraestructura social

y económica.

Los desastres generan también efectos indirectos importantes que son

difíciles de identificar e imposibles de cuantificar. Son efectos que originan

daños (o beneficios) "intangibles", tales como el sufrimiento humano, la

inseguridad, el sentimiento de orgullo o de antipatía por la forma en que las

20

autoridades han enfrentado las consecuencias del desastre, la solidaridad,

la participación desinteresada, los efectos sobre la seguridad nacional y

muchos otros factores del mismo temor que inciden en el bienestar y la

calidad de vida. El analista no contará con el tiempo necesario para intentar

imputar un valor monetario a estos importantes efectos de los desastres,

pero debe estar consciente, que una apreciación completa de los efectos

de un desastre, debería contener una evaluación o al menos una discusión

global de daños o beneficios intangibles que afectan considerablemente las

condiciones o el nivel de vida.10

TIPOS DE DAÑOS COMUNES Y POSIBLES CAUSAS EN EDIFICIOS11

Los daños más fuertes provocados por los sismos en las edificaciones

dependen de los componentes estructurales y de los componentes no

estructurales de la obra.

Daños ligeros: Fisuras en los revestimientos, caídas de pequeños

trozos de revestimiento.

Daños moderados: Fisuras en los muros, caídas de grandes trozos

de revestimiento, caída de tejas, grietas en las chimeneas, e incluso

derrumbamientos parciales en las mismas.

Daños Graves: Grietas en los muros, caída de chimeneas o de otros

elementos exteriores.

Destrucción: Grietas en los muros resistentes, derrumbamiento

parcial, perdida de enlace entre distintas partes de la construcción,

destrucción de tabiques y muros de cerramiento.

Colapso: Ruina completa de la construcción.

10Manual para la evaluación del impacto socioeconómico y ambiental de los desastres-CEPAL

11 Instituto Andaluz de Geofísica y Prevención de Desastres Sísmicos- Daños producidos por terremotos

21

1.2 Objetivos y Alcances

1.2.1 Objetivo General

Comparación del comportamiento estructural y costos de un Edifico

Tradicional en Acero de Base Fija versus la implementación de Aisladores

Elastoméricos con Núcleo de Plomo (LRB) a la cimentación del Edificio

diseñado en Acero.

1.2.2 Objetivos Específicos

Implementar el sistema de aisladores sísmicos LRB a la cimentación

del edifico diseñado en acero.

Diseñar el sistema de aislación según los requerimientos de la

Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC 11.

Modelar la estructura aislada en el programa computacional ETABS.

Establecer el mejor comportamiento estructural del edificio en acero

ante la aplicación de los diferentes tipos de aisladores.

Comparar los costos de cimentación del Edifico Aislado versus el

Edificio Tradicional en Acero de Base Fija.

1.2.3 Alcances

a) Implementar la aplicación de aisladores sísmicos en la cimentación

del Edificio Tradicional en Acero del Hospital regional de Ambato

“Bloque E” utilizando el programa computacional de análisis

estructural ETABS.

b) Impulsar el interés, estudio e implementación de los sistemas de

aislación en obras civiles de importancia del país.

c) Replicar mediante un programa computacional de análisis

estructural comercial el comportamiento de un edificio, permitiendo

ampliar el alcance de éstos en el diseño de estructuras, otorgando

una visión del real alcance de este tipo de programas.

22

d) Establecer un interés entre profesionales de la docencia y

estudiantes para que el tema de sistemas de protección sísmica se

masifique en el medio de la construcción.

1.3 Metodología

El sistema a aplicarse para este tema de Titulación es un análisis

comparativo estructural y de costos que nos permitirá establecer la

viabilidad del sistema de aislación sísmica a aplicarse en la cimentación del

edifico diseñado en Acero.

En principio se contara con el análisis y diseño del edifico en acero que está

diseñado con la norma NEC-11 (Norma Ecuatoriana de la Construcción) y

el código ANSI/AISC 360-10 (American Institute of Steel Construcction), de

donde se tomara en cuenta todos los resultados obtenidos del prediseño y

diseño para poder modelar el edifico en el programa computacional ETABS

y obtener una visión general del comportamiento estructural del Edificio en

Acero.

En consiguiente tomando toda la información necesaria del diseño del

edificio en acero es importante entrar al análisis y diseño del aislador

elastomérico LRB según la norma FEMA, de donde se seleccionará el

diámetro del aislador más adecuado según las condiciones geotécnicas y

estructurales del sitio de construcción del edificio aislado.

Definitivamente se tomara en cuenta al ya considerado Aislador

Elastomérico con núcleo de plomo (LRB) para ser modelado en el programa

computacional de análisis y diseño estructural ETABS, lo que nos dará una

esquematización tridimensional del edificio aislado.

Por último conociendo todos los resultados del análisis y diseño se

establecerá un análisis de costos que implica comparar el aspecto

económico de la cimentación de la estructura del Edifico en Acero Aislado

23

versus la estructura del Edificio Tradicional, tomando en forma general

todos los costos necesarios que este estudio demanda, es decir costos

directos, costos indirectos y costos de implementación del aislador sísmico.

Este estudio es muy importante ya que es un punto trascendente en la

decisión de realizar la inversión. Los resultados de este estudio tienen tanto

peso como el estructural, y es por eso que también se incluye los costos

que significan para una estructura después que ha sufrido un sismo severo,

ya sea el de reparaciones de elementos estructurales, el tiempo de

serviciabilidad perdido y el daño que puedan sufrir los contenidos del

edificio. Estos tipos de costos generalmente no se consideran, con lo cual

de cierta forma solo se aprecia los costos de inversión del momento

dejando de lado costo que pueden llegar a ser importantes respecto a la

inversión hecha.

24

CAPÍTULO II

2. FUNDAMENTOS Y SISTEMAS DE AISLACIÓN BASAL


Históricamente el diseño sismo resistente de estructuras ha estado basado

en una combinación de resistencia y ductilidad. Para pequeñas frecuencias

sísmicas, se espera que la estructura permanezca en el rango elástico, con

todos los esfuerzos bajo los niveles de fluencia. Asimismo, no es razonable

esperar que una estructura tradicional responda elásticamente a un sismo

muy raro. Se sabe, que el diseño utilizado por los ingenieros estructurales

está basado en la ductilidad inherente de los edificios para prevenir fallas

catastróficas, mientras que se acepta un determinado nivel de daño

estructural y no estructural.

Esta filosofía ha sido implementada en los códigos de diseño, ya sea en los

métodos de diseño por fuerza lateral o diseño por espectro de respuesta.

Últimamente con estas características la estructura es diseñada para

resistir una carga estática equivalente, brindando resultados

razonablemente satisfactorios.

Un número importante de avances para mejorar el desempeño en la

respuesta sísmica y el control de daño en los edificios, puentes y otras

estructuras han sido desarrolladas, y otras están por venir en el futuro

cercano. Estos avances pueden estar divididos en tres grupos: sistemas

pasivos, tales como aislamiento en la base y dispositivos suplementarios

de disipación de energía; sistemas activos, los cuales requieren la

participación activa de dispositivos mecánicos cuyas características están

hechas para cambiar durante la respuesta sísmica basándose en medidas

de respuesta; y sistemas híbridos, los cuales combinan los sistemas

pasivos y activos en una manera tal que la seguridad del edificio no esté

comprometida incluso si el sistema activo fallase.

25

En la actualidad, la técnica de aislamiento sísmico es ampliamente usada

en el mundo. Un sistema de aislamiento sísmico es típicamente ubicado en

la cimentación de la estructura. Debido a su flexibilidad y capacidad de

absorción de energía, el sistema de aislamiento parcialmente absorbe la

energía sísmica de entrada antes que esta energía sea transmitida a la

estructura. El efecto es una reducción de la demanda de la disipación de

energía en el sistema estructural, mejorando su desempeño.

Además, los sistemas de control activo y semi-activo son áreas de

protección estructural, en la cual el movimiento de una estructura es

controlado o modificado por la acción de un sistema de control con

suministro de energía externa. Los sistemas semi-activos requieren

solamente cantidades nominales de energía para ajustar sus propiedades

mecánicas y a diferencia de los sistemas activos estos no pueden adicionar

energía a la estructura. Una atención importante ha recibido el desarrollo

de estos sistemas, especialmente en la mejora de la respuesta sísmica y

de viento en los edificios. Esta tecnología actualmente, ha sido diseñada,

construida e instalada en varios edificios del mundo.

Desde fines del siglo XIX, los ingenieros civiles estructurales ya tenían la

idea de dotar a las edificaciones de un sistema dinámico especial que les

permitiera permanecer casi inmóviles durante la ocurrencia de sismos, con

el fin de disminuir los daños causados por las fuerzas internas y

desplazamientos de entrepiso generados.

No obstante, la implementación de los sistemas de aislamiento sísmico en

edificios y otras estructuras localizadas en distintos lugares de todo el

mundo se inició recién hace 35 años, gracias al desarrollo de los aisladores

elastoméricos conformados por láminas de caucho y placas de acero.

Desde entonces, por medio de una serie de investigaciones llevadas a cabo

en naciones líderes en la materia, como es el caso de Japón y Estados

Unidos, se ha mejorado este tipo de aislador de bajo amortiguamiento

26

colocándole un núcleo de plomo o carbón extrafino, aceites o resinas, para

que disipe mayor cantidad de energía.

Además, gracias a los avances tecnológicos, se han inventado los

aisladores deslizantes, compuestos por rieles o pequeños cilindros o

esferas, que trabajan desplazándose sobre una superficie plana o cóncava.

Todos estos dispositivos que se colocan en los edificios entre la

cimentación y la superestructura, tienen gran capacidad para soportar

cargas verticales pero comparativamente muy poca rigidez lateral frente a

fuerzas cortantes horizontales, de tal manera que presentan grandes ciclos

de histéresis ante las cargas de sismo, lo que ocasiona el aumento del

amortiguamiento y a la vez la reducción tanto de las fuerzas internas en los

elementos estructurales, la deriva en cada nivel y la amplitud de los

movimientos vibratorios.

Esto es posible debido a que gran parte de la energía proveniente del

movimiento sísmico es absorbida por el sistema de aislamiento, siendo

transmitida sólo una pequeña fracción a la superestructura del edificio, y

además, porque al incrementarse el periodo fundamental, la fuerza cortante

en la base disminuye; mejorándose de forma notable su respuesta

dinámica (Figura 2.1).

En forma espontánea surge la siguiente interrogante: ¿bajo qué

condiciones es adecuado usar aisladores sísmicos? Sin duda, esta técnica

brinda los mejores resultados al ser aplicada a edificios rígidos emplazados

sobre suelos también rígidos, puesto que al incrementarse grandemente el

periodo fundamental del sistema estructural compuesto, la reducción de las

fuerzas sísmicas y los desplazamientos de entrepiso es mucho mayor que

en casos donde el suelo de fundación es flexible y/o el edificio también lo

es. En consecuencia, no es conveniente aislar edificios emplazados sobre

suelos tipo D, E, F, según la sección 2.5.4.5., capítulo 2- NEC-11.

27

a) Edificio sin Aislación Basal b) Edificio con Aislación Basal

Fig. 2.1 Reducción de la respuesta sísmica en un edificio aislado, expresado en la

reducción de la deriva y las fuerzas sísmicas en cada nivel y en el incremento del

amortiguamiento

Por otro lado, los edificios que deberían tener un sistema de aislamiento

son fundamentalmente los considerados de ocupación especial y para

estructuras esenciales y/o peligrosas, catalogadas como tales según

requisitos de la sección 2.6.4., capítulo 2, como se muestra en la tabla 2.1,

según la normativa vigente (NEC11); es decir, hospitales, centros

educativos, y en general edificaciones donde las actividades no deberían

ser interrumpidas después de un desastre o donde las personas se puedan

refugiar.

Tabla 2.1 Tipo de uso, destino e importancia de la estructura

Categoría Tipo de uso, destino e importancia Factor

Edificaciones

esenciales y/o

peligrosas

Hospitales, clínicas. Centros de salud o de emergencia

sanitaria, Instalaciones militares, de policía, bomberos,

defensa civil, Garajes o estacionamientos para vehículos y

aviones que atiendan emergencias. Torres de control

aéreo. Estructuras de centros de telecomunicaciones u

otros centros de atención de emergencias. Estructuras que

albergan equipos de generación y distribución eléctrica.

Tanques u otras estructuras utilizadas para depósito de

1.5

28

agua u otras substancias anti-incendio. Estructuras que

albergan depósitos tóxicos, explosivos, químicos u otras

sustancias peligrosas.

Estructuras de

ocupación

especial

Museos, iglesias, escuelas y centros de educación o

deportivos que albergan más de trescientas personas.

Todas las estructuras que albergan más de cinco mil

personas. Edificios públicos que requieren operar

continuamente.

1.3

Otras

estructuras

Todas las estructuras de edificación y otras que no

clasifican dentro de las categorías.

1

Fuente: NEC-11 (Tabla 2.9)

2.2 Tipos de Aislación Basal

La aislación sísmica consiste en desacoplar horizontalmente a la estructura

del suelo. El sistema de aislación usado y los dispositivos de aislación para

lograr dicho objetivo pueden variar de acuerdo con las necesidades o

preferencias del diseñador.

Los dispositivos de aislación, también llamados aisladores, son elementos

estructurales muy flexibles en la dirección horizontal y sumamente rígidos

en la vertical que permiten grandes deformaciones horizontales ante las

solicitaciones sísmicas.

El sistema de aislación es el conjunto de elementos estructurales que

incluye a todos los aisladores, sus conexiones y a los elementos

estructurales que transmiten fuerza entre el sistema de aislación y la

superestructura y subestructura. A la estructura que se encuentra encima

del sistema de aislación se le denomina superestructura y a la que se

encuentra debajo subestructura. La interfase de aislación es el límite

imaginario entre la superestructura y la subestructura. La Figura 2.2

muestra las partes del sistema de aislación.

29

Fig. 2.2 Partes del sistema de aislación

Entre los principales tipos de aisladores tenemos a los aisladores

elastoméricos de caucho de bajo amortiguamiento (LDRB), los aisladores

con núcleo de plomo (LRB), los aisladores de alto amortiguamiento

(HDRB), el sistema de péndulo de fricción invertido y de doble curvatura.12

2.2.1 Aislador Elastomérico Convencional

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,

12 Análisis y Diseño de Estructuras con Aisladores Sísmicos en el Perú. Paul Korswagen, Julio Arias y Pamela Huaringa.

30

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).13

2.2.1.1 Aislador Elastomérico 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 máximo), 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. La Figura

2.3 muestra una vista de un corte de un aislador Elastomérico tipo LDRB.

Fig. 2.3 Aislador tipo LDRB

2.2.1.2 Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento (HDRB).

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%.

13 Protección Sísmica de Estructuras- Sistemas de Aislación Sísmica y Disipación de Energía (Cámara Chilena de la Construcción)

31

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.

(a) Instalación de aislador (b) Ensayo de aislador elastomérico

Fig. 2.4 Aislador tipo HDRB

2.2.1.3 Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo (LRB).

Los aisladores con núcleo de plomo (LRB) son aisladores elastoméricos

similares a los LDRB pero poseen un núcleo de plomo, ubicado en el centro

del aislador, que permite aumentar el nivel de amortiguamiento del sistema

hasta niveles cercanos al 25-30%. Al deformarse lateralmente el aislador

durante la acción de un sismo, el núcleo de plomo fluye, incurriendo en

deformaciones plásticas, y disipando energía en forma de calor.

Al término de la acción sísmica, la goma del aislador retorna la estructura a

su posición original, mientras el núcleo de plomo recristaliza. De esta forma

el sistema queda listo para un nuevo evento sísmico. La Figura 2.5 muestra

los componentes de un aislador Elastomérico tipo LRB.

32

(a) Componentes aislador LBR

(b) Esquema de corte real de aislador

Fig. 2.5 Aislador tipo LRB

2.2.2 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

33

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.

2.2.2.1 Aisladores Péndulo Friccional.

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. Luego de un movimiento sísmico, la estructura regresa a

su posición inicial gracias a la geometría de la superficie y a la fuerza

inducida por la gravedad. La Figura 2.6 muestra un esquema de un péndulo

friccional.

(a) Esquema estático (b) Esquema deformado

Fig. 2.6 Péndulo Friccional

2.2.2.2 Aisladores Friccionales

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 elastomérico con el fin de facilitar

el movimiento del deslizador en caso de sismos. Por lo general, las

34

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 2.7 muestra un

esquema de un apoyo deslizante plano.

Fig. 2.7 Apoyo deslizante plano - Universidad Católica del Maule (Chile)

La combinación de estos sistemas con aisladores elastoméricos o con

núcleo de plomo permite, en general, ahorros de costos del sistema de

aislación. La Figura 2.8 muestra la combinación de un apoyo deslizante con

un aislador elastomérico.

Fig. 2.8 Combinación de apoyo deslizante y aislador elastomérico - BERRY

STREET PROJECT (EEUU)

35

2.3 Experiencia y Aspectos a considerarse en la instalación de

aisladores.

Para edificios, los efectos sísmicos fueron incorporados por primera vez en

el Uniform Building Code (UBC) de 1927 en Estados Unidos. Sin embargo,

el código no incorporaba requerimientos de diseño. Los requerimientos de

diseño se incorporaron en el código de 1930.

En general, el desarrollo de normativa a nivel mundial ha estado siempre

relacionado con la ocurrencia de terremotos de gran magnitud. En el sur

del continente Americano Chile no ha sido la excepción. Luego del

terremoto de Talca de 1928 se publicó el primer reglamento de diseño

sísmico que comenzó a regir en 1935 a través de la Ordenanza General de

Construcciones y Urbanización.

El primer documento para el diseño de estructuras con aislación sísmica de

base fue publicado en 1986 por el SEAOC (Structural Engineering

Association of California). Estados Unidos y Japón son los principales

precursores del uso de estas tecnologías de protección. Los sistemas de

protección sísmica presentaron su mayor auge luego de los terremotos de

Northridge (EEUU) en 1994 y Kobe (Japón) en 1995. La Figura 2.9 muestra

el aumento del uso de sistemas de aislación sísmica en Japón después del

terremoto de Kobe de 1995.

Fig. 2.9 Masificación de edificios sísmicamente aislados en Japón, luego del

terremoto de Kobe de 1995

36

En ambos terremotos se observó que las construcciones que poseían

sistemas de aislación sísmica se comportaron de excelente forma, lo que

estimuló la masificación de este tipo de tecnología. La experiencia

internacional muestra que el uso de tecnologías de protección sísmica no

solo aplica para estructuras nuevas, sino que también es utilizada como

estrategia de refuerzo o rehabilitación (retrofit) de estructuras ya existentes.

Algunos ejemplos emblemáticos de estas aplicaciones son el Capitolio de

Utah (EEUU), el Municipio de San Francisco (EEUU), y el puente Golden

Gate en San Francisco (EEUU).

En la actualidad Japón cuenta con más de 2500 construcciones con

sistemas de aislación sísmica mientras que Estados Unidos con alrededor

de 200.

En Chile, el primer edificio con aislación sísmica de base fue construido en

el año 1991. Este edificio de viviendas sociales, de cuatro pisos,

corresponde al conjunto habitacional de la Comunidad Andalucía, ubicado

en la comuna de Santiago. Posteriormente, una veintena de estructuras con

sistemas de protección sísmica han sido construidos, entre los que

destacan el viaducto Marga-Marga, el Muelle Coronel, el puente Amolanas,

el Nuevo Hospital Militar La Reina, el edificio Parque Araucano, la Clínica

UC San Carlos de Apoquindo, la Torre Titanium, y los edificios de la

Asociación Chilena de Seguridad en Santiago y Viña del Mar, entre otras.

Se espera que luego de los últimos terremotos ocurridos en Chile este abril

del 2014, como el que ya ocurrió en febrero del 2010 y además del ocurrido

en marzo 2011 en Japón se genere un nuevo auge, al igual que lo ocurrido

en la década de 1990 con los terremotos de Northridge y Kobe, que impulse

la masificación de la aplicación de sistemas de protección sísmica en

estructuras. En particular, debido a la cantidad de edificaciones que,

contando con sistemas de protección sísmica en Japón, registraron un

excelente desempeño sísmico.

37

Los aisladores de base, son una excelente opción para el diseño sísmico

de estructuras. Lastimosamente en el Ecuador, recién en el 2008, el Cuerpo

de Ingenieros del Ejército construyo el puente que une las ciudades de

Bahía de Caráquez con San Vicente con aisladores de base los mismos

que están ubicados bajo el tablero del puente, que dicho sea de paso tiene

aproximadamente dos kilómetros de longitud.

En la actualidad el ecuador sin duda se ha visto el interés de introducir este

tipo de sistemas en la redacción de su normativa y a la par con este auge

en el uso de sistemas de protección sísmica ya se menciona en la Norma

Ecuatoriana de la Construcción NEC11 (capítulo 2.9 y 2.10) algunos

requisitos especiales para estructuras de ocupación especial y para

estructuras esenciales como son los requisitos de diseño de edificios con

sistemas de control estructural involucrando así a los sistemas de

aislamiento sísmico y sistemas de disipación pasiva de energía.

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 los cimientos (subestructura), o entre

el entrepiso 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,

38

electricidad, alcantarillado, tv, internet, 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 mantenimiento

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.

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 y no estructurales 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.

39

Consideraciones para la evaluación económica

Se presenta una serie de costos y beneficios que deben ser considerados

al evaluar económicamente la instalación de aisladores sísmicos. Estos

aspectos varían dependiendo del tipo de aislación que se instale y las

características de cada proyecto.

Costos:

• Costo de los dispositivos.

- Costos del proyecto de aislación.

- Costos de fabricación y ensayo de prototipos y aisladores de obra.

- Costos de instalación. Costos directos y gastos generales por aumento de

plazos.

- Costo de protección al fuego de los dispositivos en caso que se requiera.

- Costo del sistema de conectores flexibles en las instalaciones y juntas de

dilatación.

- Costo del diafragma adicional requerido por sobre el nivel de aislación y

columnas de gran dimensión o envigados por debajo del sistema de

aislación.

- Costos de la súper y subestructuras requeridas para alcanzar objetivos de

desempeño compatibles con los provistos por el sistema de aislación.

• Costos de mantenimiento e inspección.

• Costo de proveer un espacio físico adicional para la instalación de los

aisladores.

Beneficios:

• Beneficio de mantener la estructura operativa durante e inmediatamente

después de ocurrido un sismo.

• Disminución de los costos de reparación de daños, luego de eventos

sísmicos severos, dado que se reducen:

- Daños de componentes y sistemas no estructurales.

- Daños estructurales.

40

• Beneficio para el fabricante en reputación de su marca. Ayuda a vender

mejor los atributos del producto.

• Percepción de mayor seguridad por parte del usuario.

Requisitos normativos

En nuestro medio la NEC 11 no establece parámetros de diseño para

estructuras con aislación sísmica, el diseño sísmico de edificios con

sistemas de aislamiento sísmico utilizará como requerimientos mínimos a

las especificaciones del Capítulo 13 del BSSC (2004) "NEHRP

Recommended Provisions and Commentary for Seismic Regulations for

New Buildings and Other Structures" (FEMA 450). Sin importar el uso u

ocupación del edificio, el parámetro SD1 corresponde a la aceleración

espectral para T = 1s, para un periodo de retorno de 475 años. SM1

corresponde a la aceleración espectral con para T = 1s, para un periodo de

retorno de 2500 años, tomando en cuenta el efecto del suelo de

cimentación.14

14 NEC11-CAP.2.10 DISEÑO DE EDIFICIOS CON SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL

41

Ejemplos y aplicaciones.

Fig. 2.10 Aplicación apoyo deslizante - Hospital Takasu (Japón)

(a) Estructura reforzada (b)Aisladores elastoméricos

Fig. 2.11 San Francisco City Hall (EEUU)

42

(a) Estructura reforzada

(b) Aisladores elastoméricos

Fig. 2.12 Puente Golden Gate, San Francisco (EEUU)

43

CAPITULO III

3. ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO SISMO RESISTENTE

3.1 El sismo como acción de diseño15

Los sismos son eventos con baja probabilidad de ocurrencia y sus

consecuencias pueden ser tremendas en términos de destrucción y del

sufrimiento que provocan, por estas razones el diseño de estructuras sismo

resistente presenta particularidades que lo distinguen del diseño para otro

tipo de acciones como cargas gravitatorias o viento.

El fenómeno sísmico es un problema netamente dinámico, si bien los

primeros métodos para su consideración se basaron en conceptos

estáticos. Es así que surgió el método de las fuerzas estáticas equivalentes,

que aún hoy se aplica para estructuras relativamente simples (la mayoría

de los códigos permiten su aplicación para construcciones de baja y

mediana altura y de configuración aproximadamente regular). En este

método, el efecto vibratorio del sismo se reemplaza por fuerzas laterales

que, en general, siguen una distribución creciente con la altura. El corte

basal sísmico se determina a partir de un coeficiente sísmico (igual a la

aceleración horizontal dividida la aceleración de la gravedad, g)

multiplicado por el peso total de la construcción, incluyendo las sobrecargas

de uso. El desarrollo y la difusión de las computadoras personales y de los

programas de análisis estructural han permitido una generalizada

aplicación de métodos dinámicos para considerar la acción sísmica. En

estos métodos, y dependiendo del tipo de análisis a realizar, el sismo se

cuantifica a través de un espectro de aceleraciones o mediante una serie

de registros de aceleración (acelerogramas). Estos últimos representan la

variación de la aceleración del terreno en función del tiempo. Los registros

de aceleración se obtienen de mediciones de sismos real eso bien se

generan artificialmente mediante programas computacionales para cumplir

ciertos requisitos.

15ANSI/AISC 341-10 (Asociación Latinoamericana del Acero – Alacero)

44

Cualquiera sea el método aplicado, se consideran en general cuatro

aspectos fundamentales para cuantificar la acción sísmica, a saber:

(i) sismicidad propia del lugar,

(ii) características del suelo de fundación,

(iii) destino o importancia de la construcción y

(iv) características principales de la respuesta estructural, vinculadas

principalmente a su ductilidad y sobre resistencia.

Los dos primeros aspectos se definen a través de un espectro de diseño,

normalmente en términos de aceleraciones horizontales. La importancia de

la construcción se cuantifica a través de un factor que mayora la demanda

sísmica para obras de infraestructura pública, edificios con alta ocupación,

etc. El comportamiento estructural se representa mediante un factor de

modificación de respuesta, R, el cual se ha calibrado a partir de resultados

experimentales y analíticos obtenidos para distintos tipos de estructuras;

sus implicancias en el diseño se indican posteriormente en este capítulo.

Es importante mencionar que usualmente la acción sísmica de diseño se

define a partir de aceleraciones (o del coeficiente sísmico para el método

estático), razón por la cual los métodos que utilizan este criterio se

denominan “métodos de diseño basados en fuerza”. Este es un criterio

tradicional que se utiliza desde los comienzos de la ingeniería sísmica. Sin

embargo, en las últimas décadas, investigadores y diseñadores de distintos

países han comenzado a desarrollar una nueva definición de la acción

sísmica, considerando los desplazamientos laterales como variable

principal de diseño (Priestley et al, 2007). Es así que han surgido distintos

“métodos de diseño basado en desplazamiento”, los cuales han madurado

en su formulación e implementación, de modo que es muy factible que en

un futuro cercano se incorporen paulatinamente a los códigos de diseño.

El concepto de espectro es de gran importancia para definir y cuantificar la

acción sísmica; es por ello que se presentan a continuación aspectos

básicos sobre los espectros de respuesta y de diseño.

45

3.1.1 Espectros de respuesta

Se han definido diversos parámetros e indicadores para cuantificar los

terremotos y sus efectos. Desde el punto de vista estructural, la aceleración

es uno de los parámetros más importante para el diseño sismo resistente,

más precisamente a través de los espectros de aceleración (ver Figura 3.1).

A través de ellos, se define la amenaza sísmica de una zona o región a los

efectos del diseño sismo resistente. En forma general, puede definirse

espectro como un gráfico de la respuesta máxima (expresada en términos

de desplazamiento, velocidad, aceleración, o cualquier otro parámetro de

interés) que produce una acción dinámica determinada en una estructura u

oscilador de un grado de libertad. En estos gráficos, se representa en

abscisas el periodo propio de la estructura (o la frecuencia) y en ordenadas

la respuesta máxima calculada para distintos factores de amortiguamiento

ξ.

El espectro de respuesta elástica representa el máximo de un parámetro

de respuesta (aceleración, desplazamiento, etc.) para osciladores simples

de un grado de libertad con un periodo de vibración T y un amortiguamiento

relativo ξ para un terremoto dado. En la Figura 3.1 se presenta el gráfico

correspondiente a un espectro de aceleración.

El concepto de los espectros comenzó a gestarse gracias a una idea Kyoji

Suyehiro, Director del Instituto de Investigaciones de la Universidad de

Tokyo, quien en 1920 ideó un instrumento de medición formado por 6

péndulos con diferentes periodos de vibración, con el objeto registrar la

respuesta de los mismos ante la ocurrencia de un terremoto. Unos años

después, Hugo Benioff publicó un artículo en el que proponía un

instrumento similar al de Suyehiro, destinado a medir el desplazamiento

registrado por diferentes péndulos, con los cuales se podía determinar el

valor máximo de respuesta y construir una curva (espectro de

desplazamiento elástico) cuya área sería un parámetro indicador de la

destructividad del terremoto. Maurice Biot, en el Instituto Tecnológico de

California, fue quien propuso formalmente la idea de espectros de

46

respuesta elástica; luego Housner, Newmark y muchos otros

investigadores desarrollaron e implementaron este concepto en criterios de

aplicación práctica.

Fig. 3.1 Espectro elástico de respuesta, en términos de aceleración, Ejemplo:

correspondiente al terremoto de Turquía, 17/8/1999, registro YPT

3.1.2 Espectros de diseño

Debido a que los espectros de respuesta representan el efecto de un solo

registro de aceleración, no pueden usarse para el diseño. Por esta razón,

los reglamentos sismo resistentes utilizan espectros de diseño. Éstos

presentan dos características principales:

(i) consideran la peligrosidad sísmica de una zona o región y

(ii) son curvas suavizadas, es decir, no presentan las variaciones

bruscas propias de los espectros de respuesta.

La obtención de las respuestas espectrales, como parte del análisis de

amenaza sísmica, puede realizarse mediante procedimientos

probabilísticos o determinísticos, según lo que resulte más conveniente en

cada caso (Maguire, 2004; Reiter, 1990).

47

Desde hace más de una década, se ha desarrollado en Estados Unidos un

procedimiento que permite definir los espectros de diseño a partir de lo que

se denomina terremoto máximo considerado (MEC, máximum considered

earthquake). Éste no debe interpretarse como el máximo terremoto que

puede ocurrir en una región, sino como el máximo nivel de sacudimiento

que se considera razonable para el diseño de estructuras (Leyendecker et

al., 2000).

Se describe a continuación, en términos generales, el criterio que adoptan

las especificaciones ASCE/SEI 7-10, Minimum Design Loads for Buildings

and Other Structures (ASCE, 2010) para definir el espectro de diseño. Este

reglamento considera para casos usuales un sismo definido como

terremoto máximo considerado con probabilidad de colapso uniforme,

MCER (risk-targered máximum considered earthquake). Este concepto fue

introducido en la edición del año 2010 de mencionado reglamento para

considerar que la probabilidad de colapso estructural presenta

incertidumbres. Anteriormente, los valores de movimiento de suelo (ground

motion values) se definían bajo la condición de “amenaza uniforme”

(uniform hazard), sin considerar las incertidumbres en la capacidad

estructural. Es por ello que en la edición 2010 se modificaron los

parámetros de movimiento desuelo de manera que la probabilidad de

colapso esperada asociada a los espectros resultantes sea uniforme.

El terremoto MCE se determina asumiendo una probabilidad de excedencia

del 2% en 50 años (equivalente a un periodo de retorno de 2475 años) y se

caracteriza mediante tres parámetros principales:

La aceleración espectral para periodos cortos (T=0.2s), SS.

La aceleración espectral para un periodos T=1.0s, S1.

El periodo de transición para periodos largos, TL (ver Figura 3.2).

Estos parámetros se obtienen de mapas disponibles para todo el país, y

corresponden a un sitio clase B.

48

Actualmente, se puede acceder a los valores de los parámetros SS y S1 para

calcular el espectro compatible con ASCE/SEI 7-10 en forma electrónica a

través del sitio web el United States Geological Survey´s16, no solo para

Estados Unidos sino también a nivel mundial (mediante World wide Seismic

Design Maps Application).

La clasificación del sitio se realiza a partir de las propiedades del suelo

(velocidad promedio de las ondas de corte, resistencia promedio a la

penetración o resistencia a corte no drenada promedio) y para ello se

consideran seis categorías, de la A a la F.

El espectro de diseño se determina considerando una reducción de las

aceleraciones espectrales de referencia para el terremoto máximo

considerado, MCE, de modo que:

SDS = 2/3 Fa SS

SD1 = 2/3 Fv S1 (Ec. 3.1)

(Ec. 3.1) Aceleraciones espectrales de referencia para el terremoto máximo considerado

Donde el factor 2/3 representa un “margen sísmico” para transformar el

espectro MCE, que corresponde a un nivel de colapso, en otro a nivel de

diseño. Como consecuencias de dividir por 2/3, se obtiene un margen

uniforme contra el colapso, pero no una probabilidad de ocurrencia

uniforme de los espectros obtenidos para distintos sitios (Leyendecker et

al., 2000). Luco et al. (2007) explican que el factor 2/3 representa un

modificación en el objetivo de desempeño considerado por el reglamento

que cambió del nivel de “seguridad de vida” (life safety) a “prevención del

colapso” (collapse prevention).

Las modificaciones indicadas de los parámetros de referencia SS y S1 se

representa esquemáticamente en la Figura 3.2 mediante flechas. Debe

notarse, sin embargo, que en ciertos casos los parámetros de diseño

16http://earthquake.usgs.gov/hazards/designmaps/

49

pueden ser mayores que los del espectro MCE cuando los factores de sitio

Fa o Fv son mayores de 1.5 lo cual puede ocurrir en suelos blandos.

Fig. 3.2 Espectro de diseño considerado por las especificaciones ASCE/SEI 7-10

Para sitios cuya clase difiere de la B es necesario modificar la respuesta

espectral, de modo de considerar el efecto del suelo, que afecta tanto los

valores de aceleración como la forma del espectro. Esta modificación se

logra mediante dos coeficientes de sitio, Fa y Fv, que multiplican a las

aceleraciones espectrales SS y S1. Los coeficientes Fa y Fv se encuentran

tabulados y sus valores dependen de la clase de sitio y de los niveles de

aceleración SS y S1.

Finalmente, para obtener el espectro completo, que consta de cuatro ramas

(ver Figura 3.2) se determinan los periodos de transición TO y TS mediante

las siguientes expresiones:

TO = 0.2 SD1 / SDS

TS = SD1 / SDS (Ec. 3.2)

(Ec. 3.2) Periodos de transición

En la Figura 3.3 se presenta, a modo de ejemplo, dos típicos espectros de

aceleración para diseño correspondientes a sitios clase B y E. Además se

50

incluyen en esa figura (en línea de trazo) los espectros de desplazamientos

deducidos a partir de los de aceleración3.

Es muy importante aclarar que las aceleraciones especificadas mediante

los espectros de diseño de los códigos para cuantificar la acción sísmica

no representan necesariamente los máximos que podrían ocurrir en esa

zona o región. Más bien representan un nivel de movimiento sísmico que

se considera aceptable a los efectos del diseño (AISC, 2006). La aplicación

de las especificaciones reglamentarias (por ejemplo ANSI/AISC 341-10 y

360-10) asegura que la estructura presenta una adecuada ductilidad para

evitar el colapso ante la ocurrencia de un sismo severo.

Fig. 3.3 Ejemplos de espectros de aceleración para diseño según ASCE/SEI 7-10 y

los espectros de desplazamiento calculados a partir de los primeros

3.1.3 Acción vertical del sismo

Los espectros descriptos previamente se utilizan para definir la acción

sísmica horizontal. Los reglamentos de diseño, normalmente, incluyen

también requerimientos para considerar el efecto de la acción sísmica

vertical. Esta consideración se debe a que el movimiento del suelo,

resultante de la propagación de las ondas sísmicas, presenta también una

componente en la dirección vertical. En el caso de las normas ASCE/SEI

51

7-10 (ASCE, 2010) se considera una aceleración espectral constante (que

no es función del periodo) igual a 0.2 SDS. La aceleración así definida se

considera que actúa sobre la masa vinculada a las cargas permanentes, de

modo que se tiene un efecto vertical igual a ±0.2 SDS D (donde D representa

la carga permanente o muerta).

El efecto de la acción vertical del sismo debe considerarse como parte de

la acción sísmica total E cuando se plantean las combinaciones de carga

requeridas por el reglamento. En algunos casos especiales se permite

omitir la consideración de la acción vertical del sismo, por ejemplo cuando

SDS ≤ 0.125 o cuando se determina la demanda en cimentaciones.

3.2 Diseño por Capacidad

El método de diseño por capacidad se desarrolló originalmente en Nueva

Zelanda para estructuras de hormigón armado. En la actualidad, es

aceptado internacionalmente y sus principios se aplican también al diseño

de estructuras de acero.

El diseño por capacidad se basa en la formulación de una jerarquía en la

resistencia de los componentes que componen el sistema estructural para

permitir la formación de un mecanismo de deformación plástica (o

mecanismo de colapso); se evita así la ocurrencia de fallas frágiles. Para

ello, se seleccionan ciertos componentes o zonas de la estructura sismo

resistente, los cuales son diseñados y detallados para disipar energía en

forma dúctil y estable. En estas zonas críticas, denominadas comúnmente

“rótulas plásticas”, el sismo induce deformaciones plásticas por flexión y se

evitan otros mecanismos de falla mediante un incremento de la resistencia

asignada (por ejemplo fallas de corte en los miembros de hormigón armado

o problemas de pandeo local en secciones de acero).

Todos los demás componentes se protegen de la posibilidad de falla

asignando una resistencia mayor que la correspondiente al desarrollo de la

52

máxima resistencia esperada en las potenciales regiones de plastificación

(Paulay y Priestley, 1992).

En el caso de pórticos, la rótula plástica se asocia a una zona de disipación

de energía por flexión, pero el concepto puede ampliarse a otras

estructuras con zonas donde se produce fluencia por corte, tracción,

tracción-compresión, o incluso a dispositivos especialmente diseñados

como disipadores de energía.

De esta forma, el diseño por capacidad permite contrarrestar las

incertidumbres existentes para definir la demanda sísmica y asegura que

la estructura responda en forma estable y con adecuada capacidad de

disipación de energía.

Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 incorporan los conceptos del

diseño por capacidad para la verificación de ciertos componentes, por

ejemplo columnas, considerando las solicitaciones inducidas cuando se

desarrolla el mecanismo de deformación plástica. En otras palabras, esos

componentes no se diseñan para resistir las solicitaciones inducidas por la

acción sísmica de diseño sino las correspondientes al nivel de resistencia

última de la estructura. Para ello se define un factor de sobre resistencia

del sistema estructural, Ωo. Este aspecto se explica con más detalle en

secciones subsiguientes de este capítulo.

3.3 Filosofía del Diseño Sismo resistente

3.3.1 Criterio general

Los códigos de diseño estructural usualmente indican el nivel general de

protección que debe esperarse de ellos. Para las estructuras sismo

resistentes la mayoría de los códigos establece requerimientos mínimos

para asegurar la protección de la vida humana esto es, evitar el colapso

parcial o total pero sin controlar el daño que puede resultar de la acción

sísmica.

53

Las estructuras sismo resistentes, salvo casos especiales, se diseñan para

responder en el rango inelástico, de modo que puedan desarrollar ductilidad

y disipar energía durante la ocurrencia de un terremoto severo. Es por ello

que las fuerzas o aceleraciones obtenidas a partir del espectro de diseño

(espectro elástico) son reducidas mediante un factor de modificación de

respuesta, R (cuya evaluación se discute en detalle en la sección

siguiente).

De esta forma el espectro de diseño elástico se transforma, a través del

factor R, en un espectro de diseño inelástico.

El ingeniero estructural debe comprender adecuadamente el criterio de

diseño sismo resistente a los efectos de aplicar correctamente las

especificaciones reglamentarias. Este criterio difiere significativamente del

aplicado para otros estados de carga, por ejemplo, para acciones laterales

por viento, donde la estructura se diseña con el objetivo de permanecer

esencialmente en rango elástico. La razón principal de esta diferencia es

de orden económico, a los efectos de que los costos de construcción sean

aceptables.

Es importante resaltar que la disipación de energía y el comportamiento

dúctil de la estructura bajo la acción sísmica solo puede lograrse si los

miembros que componen la misma son adecuadamente detallados para

evitar fallas de tipo frágil. Además, el desarrollo de la ductilidad implica la

ocurrencia de daño estructural, el cual resulta de la fluencia del acero y

eventualmente de problemas de inestabilidad como el pandeo local. El

daño que produce el terremoto tiene un costo de reparación, pudiendo ser

significativo según el tipo y la cantidad de componentes afectados, las

técnicas de reparación requeridas, etc.

54

3.3.2 Factor de modificación de respuesta R

El concepto del factor de modificación de respuesta se introdujo en la

década de 1960, fundamentalmente a través de las investigaciones

realizadas por Veletsos y Newmark (1960) y Veletsos et al (1965). A partir

de los resultados obtenidos del análisis dinámico de estructuras simples

con comportamiento elasto-plástico, se propuso que el espectro inelástico

(para diseño) podía obtenerse con cierta aproximación a partir de un

espectro elástico. De esta forma se podía reducir la demanda sísmica de

diseño (determinada a partir de un espectro elástico) para considerar la

capacidad de disipación de energía de la estructura por comportamiento no

lineal. Para ello se aplicó, como variable principal, el concepto de ductilidad

de desplazamiento, , definida como la relación entre el desplazamiento

máximo y el desplazamiento de fluencia, y se aplicaron consideraciones

simplificadas deducidas de la observación de los resultados obtenidos del

análisis dinámico.

En primer lugar se observó que en el rango de periodos largos, el

desplazamiento máximo en rango no lineal es similar al desplazamiento

máximo del sistema elástico (ver Figura 3.4), situación que se puede

expresar como “criterio de igual desplazamiento” (algunos autores utilizan

el término “principio” en lugar de criterio o regla, lo cual sería incorrecto

dado que es observación deducida a partir valores promedios obtenidos de

resultados de análisis dinámicos). A partir de esta observación se deduce

que el factor de reducción es igual a la ductilidad del sistema, R = Ve / Vy =

μ (donde Ve es la fuerza sísmica en el sistema elástico, Vy la fuerza de

fluencia en la estructura no lineal y μ=m/y es la ductilidad definida como la

relación entre el desplazamiento máximo y el desplazamiento de fluencia).

55

Fig. 3.4 Regla o concepto de igual desplazamiento entre un sistema elástico y otro

elasto-plástico

Para el caso de estructuras con periodo de vibración bajos se concluyó que,

aproximadamente, la energía en ambos sistemas era equivalente, como se

ilustra esquemáticamente en la Figura 3.5, lo cual puede expresarse como

“criterio o regla de igual energía”. A partir de igualar el área bajo la curva

de comportamiento elástico y elasto-plástico se puede deducir que:

R = √2μ − 1.

Finalmente, para el caso de periodos intermedios se observó un

comportamiento más complejo y se propusieron algunos procedimientos

simplificados para la consideración de este caso. Sin embargo, las reglas

de igual desplazamiento e igual energía representaron criterios importantes

que han influenciado significativamente el diseño sismo resistente. A partir

de las investigaciones de Veletsos, Newmark y sus colaboradores, muchos

otros investigadores profundizaron los estudios sobre el factor de respuesta

R. Los estudios realizados permitieron identificar distintas variables que

intervienen y deducir ecuaciones y valores del factor R más precisos,

Miranda y Bertero (1994) y Vielma et al. (2006).

56

Fig. 3.5 Regla o concepto de igual energía entre un sistema elástico y otro elasto-

plástico

En la actualidad el reglamento ASCE/SEI 7-10, al igual que los reglamentos

de varios países de Latinoamérica, especifican un criterio para evaluar el

factor R que considera no solo el efecto de la ductilidad, sino también la

sobre resistencia del sistema. De modo que:

(Ec. 3.3)

(Ec. 3.3) Factor R

Para explicar los conceptos involucrados en la Ecuación 3.3 resulta útil

analizar la respuesta estructural mediante un diagrama corte basal vs.

Desplazamiento lateral, como se muestra en la Figura 3.6. El nivel de fuerza

definido por el espectro de diseño se representa mediante el corte basal

elástico, Ve, mientras que el nivel de diseño se indica mediante el corte

basal VD. Este nivel representa el inicio de la fluencia, cuando la estructura

abandona el comportamiento lineal y elástico.

El factor R reduce las fuerzas a un nivel correspondiente al estado límite

último o de resistencia, no a un nivel de servicio.

A medida que los desplazamientos aumentan, la respuesta es no lineal y la

estructura es capaz de desarrollar una resistencia mayor que VD. La

respuesta real de la estructura puede aproximarse mediante una respuesta

57

bilineal equivalente, a los efectos de definir el nivel de fluencia (con corte

basal VY).

El factor de sobre resistencia Ωo tiene en cuenta la reserva de resistencia

entre los niveles VY y VD, la cual surge de la redundancia estructural, de la

sobre resistencia de los materiales, del sobredimensionamiento de los

miembros, de combinaciones de cargas distintas al sismo, de límites de

distorsión de piso, del efecto del factor de resistencia, etc. En los

comentarios de la recomendación FEMA 450, NEHRP Recommended

Provisions for Seismic Regulations For New Buildings and Other Structures

(FEMA, 2003) se presenta una detallada descripción conceptual del factor

Ωo y se analiza el mismo considerando que su valor está determinado por

tres factores Ωo = ΩD ΩM ΩS. Estos tres factores representan la sobre

resistencia de diseño, la debida al material y la del sistema,

respectivamente.

Fig. 3.6 Respuesta global del sistema, con indicación de los factores R, Ωo y Cd

El factor de reducción Rμ considera la ductilidad del sistema (definida como

μ=Δs/δY) que proporcionan los componentes con capacidad para disipar

energía.

58

El factor Rμ cuantifica la diferencia entre el nivel de respuesta elástica, Ve, y

la resistencia Vy de la estructura.

El uso del factor de modificación de respuesta simplifica el proceso de

diseño, porque el ingeniero estructural sólo debe realizar un análisis

elástico, aun cuando la estructura se deforme en rango no lineal. Sin

embargo, es importante resaltar que el análisis elástico no permite evaluar

adecuadamente los desplazamientos laterales, dado que los obtenidos por

ese procedimiento (δe) son menores que los desplazamientos que se

producirán en rango inelástico. Esta es la razón por la cual se considera un

factor de amplificación de desplazamientos, Cd, para estimar los

desplazamientos de diseño δS, como se indica esquemáticamente en la

Figura 3.6.

Puede concluirse que las acciones se definen a partir de un espectro de

diseño considerando el comportamiento lineal y elástico del sistema (ver

Figura 3.6 punto A), que se reduce luego mediante el factor R, bajo la

hipótesis de que la estructura dispone de adecuada capacidad de disipar

energía y sobre resistencia. Con la acción sísmica así definida se realiza el

análisis estructural con métodos estáticos o dinámicos, para determinar

solicitaciones de diseño y desplazamientos (punto B). Los desplazamientos

de diseño se obtienen mediante la amplificación de los resultados del

análisis elástico (punto C).

El factor de sobre resistencia se utiliza luego en el diseño de ciertos

componentes de estructuras dúctiles, por ejemplo columnas, con el objeto

de aplicar conceptos del diseño por capacidad. Es decir, que esos

componentes estructurales no se diseñan para resistir las solicitaciones

correspondientes a la acción sísmica VD sino para resistir las solicitaciones

que se inducen cuando la estructura desarrolla su resistencia real (Ωo VD).

Los valores del factor de modificación de respuesta R, del factor de sobre

resistencia Ωo y del factor de amplificación de desplazamientos Cd. se

59

encuentran tabulados en los respectivos códigos en función del tipo y

material de la estructura. La evaluación de dichos factores, particularmente

de R, se ha desarrollado a lo largo de varias décadas, de modo que en la

actualidad se dispone de información confiable para los distintos tipos

estructurales. La Tabla 3.1 presenta los valores correspondientes a estos

factores para distintos tipos de estructuras metálicas, de acuerdo con las

especificaciones ASCE/SEI 7-10, mientras que la Tabla 3.2 presenta los

mismos factores pero para el caso de estructuras mixtas de acero y

hormigón armado.

Del análisis de las Tablas 3.1 y 3.2 se observa que un mismo tipo estructural

puede diseñarse con distintos valores de R, a criterio del ingeniero

estructural, según sea la categoría que se adopte. Por ejemplo, para los

pórticos no arriostrados especiales se adopta R=8 y para los ordinarios

R=3.5, lo cual implica que el corte basal de diseño, VD, será

significativamente mayor en este último caso. Sin embargo, los pórticos

ordinarios se verifican con criterios menos estrictos y los detalles

constructivos y las conexiones son más simples y económicas.

También se deduce de dicha tabla que la reducción por ductilidad (Rμ = R /

Ωo, según Ecuación 3.3) adopta usualmente valores comprendidos entre 4

y 3 para las estructuras con mayor capacidad de disipar energía, y varía

entre 1.5 y 2 para las estructuras menos dúctiles. Para el caso extremo de

estructuras sin detalles sismo resistentes (última fila de la Tabla 3.1), el

factor de reducción por ductilidad es Rμ = 1.

3.4 Desplazamientos Laterales y Distorsión de Piso17

El desplazamiento lateral que experimentan las estructuras por acciones

como viento o sismo es una variable de importancia en el diseño, debido a

su vinculación con tres aspectos:

(i) la estabilidad estructural y el daño,


60

(ii) el control de daño en elementos no estructurales, y

(iii) el confort de los usuarios de la construcción.

En el caso de la acción sísmica, el tercer aspecto no es significativo dado

que el objetivo primario del diseño es evitar la pérdida de vidas humanas.

Como se indicó previamente, los desplazamientos calculados a partir del

análisis elástico no representan adecuadamente el nivel al cual debe

plantearse la verificación (punto B en Figura 3.3). Los desplazamientos

laterales en estructuras sometidas a la acción sísmica de diseño son

mayores por el desarrollo de la ductilidad.

Es por ello que los códigos utilizan un factor de mayoración para obtener

los valores de los desplazamientos de diseño.

61

Tabla 3.1 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras de acero según

ASCE/SEI 7-10.

Durante mucho tiempo, se utilizó el mismo factor R tanto para reducir las

fuerzas elásticas como para amplificarlos desplazamientos,

fundamentando el criterio en el “criterio de igual desplazamiento”

previamente explicado. En la actualidad, algunos códigos consideran

factores diferentes para calcular los desplazamientos inelásticos, como en

el caso de las reglamentaciones norteamericanas que utilizan para ese fin

el factor Cd, de modo que el desplazamiento de diseño se determina como:

62

𝛿 =𝐶𝑑 𝛿

𝐼 (Ec. 3.4)

(Ec. 3.4) Desplazamiento de diseño

Donde I es factor de importancia, cuyo valor se encuentra tabulado (para el

reglamento ASCE/SEI 7/10 varía entre 1.0 y 1.5).

Tabla 3.2 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras mixtas de acero y

hormigón según ASCE/SEI 7-10.

63

En los procedimientos de diseño basados en fuerza, el control de

desplazamientos se plantea como una verificación adicional, que en el caso

de estructuras flexibles, como los pórticos no arriostrados, puede resultar

en una modificación del diseño. Como parámetro de control usualmente se

considera el desplazamiento relativo de piso, Δ, definido como la diferencia

entre los desplazamientos horizontales últimos correspondientes al nivel

superior e inferior del piso, o bien la distorsión horizontal de piso, θi,

definida por (ver Figura 3.7):

(Ec. 3.5)

(Ec. 3.5) Distorsión Relativa de piso

A nivel global, también se puede definir la distorsión de piso total como la

relación entre el desplazamiento total y la altura del edificio:

(Ec. 3.6)

(Ec. 3.6) Distorsión Total de piso

64

Los valores límites para los casos más usuales varían entre 0.01 y 0.02

dependiendo del tipo de estructura, la categoría de ocupación, etc.


3.5 Estados de Carga y Análisis

3.5.1 Factor de redundancia

La redundancia estructural es un concepto importante en el diseño sismo

resistente (inicialmente fue introducido por el Código UBC en 1997, Bertero

y Bertero, 1999) y distintos reglamentos consideran explícita o

implícitamente su influencia. Tradicionalmente se define la redundancia

como el número de ecuaciones que se requiere para la solución de un

problema estructural, en adición a las ecuaciones de equilibrio. Esta

definición se basa en aspectos vinculados al análisis, pero resulta

inadecuada desde el punto de vista del diseño sismo resistente. Es por ello

que la redundancia se relaciona con la configuración estructural de la

construcción y con la posibilidad de falla de sus componentes.

65

Un sistema estructural compuesto por mucho componentes diseñados para

resistir la acción sísmica y en los cuales las fuerzas laterales se distribuyen

entre gran parte de esos componentes, presenta un probabilidad de falla

menor que un sistema con pocos componentes.

Bertero y Bertero (1999) indicaron que los efectos benéficos más

importantes de la redundancia son la distribución de la disipación de

energía en la estructura, evitando la concentración de daño y la reducción

de la demanda de desplazamientos y ductilidad como consecuencia de

efectos torsionales en rango elástico. Es por ello que las normas

norteamericanas consideran un factor de redundancia, ρ, cuyo objeto es el

de aumentar la acción sísmica de diseño en el caso de sistemas menos

redundantes. Se consideran dos casos, con valores de 1.0 y 1.3. En forma

general, el valor más elevado corresponde a estructuras donde la remoción

de una riostra o de una viga resulta en una reducción del 33% o más de la

resistencia lateral del piso. Este factor se aplica al estado de carga sísmica,

según se indica en la sección siguiente.

Es importante mencionar que la consideración del factor de redundancia

para incrementar la acción sísmica en estructuras con baja redundancia

implica, prácticamente, una reducción del factor de modificación de

respuesta R. Desde el punto de vista conceptual, puede concluirse que son

tres los aspectos principales que afectan la respuesta de la estructura ante

la acción sísmica: la ductilidad, la sobre resistencia y la redundancia

estructural. De este modo, la Ecuación 3-3 puede modificarse para incluir

estos tres factores explícitamente en una única expresión:

(Ec. 3.7)

(Ec. 3.7) Factor de Redundancia

3.5.2 Combinaciones de carga con acción de sismo

Las especificaciones sísmicas para construcciones de acero requieren que

la resistencia requerida se determine a partir de las combinaciones de

carga estipuladas en el código de aplicación.

66

El método LRFD (Load and Resistance Factor Design) considera diversas

combinaciones de carga, las cuales surgen de asumir que cada una de

ellas actúa separadamente con el máximo valor esperado en la vida útil de

la construcción (acción de base), mientras que las otras cargas (acciones

de acompañamiento) adoptan valores usuales, todas con igual probabilidad

de ocurrencia. A modo de ejemplo, se presentan combinaciones de cargas

según lo requerido por ASCE/SEI 7-10:

1. 1.4D

2. 1.2D + 1.6L + 0.5 (Lr o S o R)

3. 1.2D + 1.6 (Lr o S o R) + (L o 0.5W)

4. 1.2D + 1.0W + L + 0.5 (Lr o S o R)

5. 1.2D + 1.0 E + L + 0.2S

6. 0.9D + 1.0W

7. 0.9D + 1.0E

Desde el año 2005 las especificaciones AISC incorporaron un formato

unificado en el que se incluye en forma simultánea ambos métodos: LRFD

y ASD.

No obstante ello, se presenta el método ASD (Allowable Stress Design) con

un formato modificado con el objeto de mantener un esquema de

verificación similar al del método LRFD.

Es por ello que se aplica la verificación por estados límite y los coeficientes

de seguridad adoptan valores diferentes según cada estado. El criterio de

verificación establece que la resistencia admisible, Ra, determinada como la

resistencia nominal, Rn, dividida por el coeficiente de seguridad, , debe

ser mayor que la resistencia requerida, Ra, por las cargas externas:

Ra Rn /

67

Las combinaciones de estados de carga requeridas para el método ASD,

según el reglamento ASCE/SEI7-10, Minimum Design Loads for Buildings

and Other Structures (ASCE, 2010) para determinar la resistencia requerida

Ra son:

1. D

2. D + L

3. D + (Lr o S o R)

4. D + 0.75 L + 0.75 (Lr o S o R)

5. D + (0.6W o 0.7E)

6a. D + 0.75L + 0.75 (0.6W) + 0.75 (Lr o S o R)

6b. D + 0.75L + 0.75 (0.7E) + 0.75S

7. 0.6D + 0.6W

8. 0.6D + 0.7E

En la consideración de la acción sísmica debe incluirse el efecto de la

vibración vertical, Ev, según se explicó previamente en la Sección 3.1.3, y

el factor de redundancia estructural, ρ, definido en la Sección 3.5.1. Es por

ello que se aplica el siguiente criterio:

En las combinaciones de carga 5 y 6 del método ASD y en la combinación

5 del método LRFD, el efecto de la carga sísmica se determina como:

E = Eh + Ev (Ec. 3.8)

(Ec. 3.8) Efecto de carga sísmica

En la combinación de carga 8 del método ASD y en la combinación 7 del

método LRFD, el efecto de la carga sísmica se determina como:

E = Eh – Ev (Ec. 3.9)

(Ec. 3.9) Efecto de carga sísmica

Donde Eh = ρ QE, siendo QE el efecto de acción sísmica horizontal, cuya

determinación se realiza de acuerdo a los requerimientos reglamentarios

según el método de análisis a aplicar.

68

Adicionalmente, las especificaciones ASEC/SEI 7-10 requieren, en ciertos

casos, que la determinación del efecto sísmico se realice considerando el

factor de sobre resistencia Ωo (cargas sísmicas amplificadas).

Para ello, el efecto sísmico incluyendo sobre resistencia, Em, que se

considera en las combinaciones de carga se define como:

Em = Emh ± Ev (Ec. 3.8a)

Emh = Ωo QE (Ec. 3.8b)

Donde el signo del efecto sísmico vertical en la Ec. 3.8a se aplica según

corresponda, con igual criterio que el definido para las Ec.3.8 y 3.9. El

reglamento AISC 360-10 aplica este criterio en el diseño de componentes

de estructuras dúctiles, en los cuales se contemplan los principios del

diseño por capacidad, indicando en cada caso particular el valor de Emh a

considerar. De esta forma, se trata de diseñar ciertos componentes con un

nivel de resistencia requerida mayor, resultante del desarrollo del

mecanismo plástico.

Las especificaciones indican explícitamente cuándo deben considerarse

las cargas sísmicas amplificadas, por ejemplo para el diseño de columnas

con carga axial elevada, bases de columnas, conexiones de riostras, etc.

3.5.3 Métodos de análisis

Los métodos de análisis han evolucionado paulatinamente según los

avances de la ingeniería sismo resistente y el desarrollo y difusión de las

computadoras como herramienta de cálculo. El primer método aplicado fue

el de las fuerzas estáticas equivalentes, en el cual el efecto dinámico de la

acción sísmica se representa en forma simplificada mediante fuerzas

laterales.

69

Este criterio aún se aplica en la actualidad para construcciones de baja o

mediana altura con características de regularidad estructural en planta y en

elevación. El segundo procedimiento es el “método de análisis modal

espectral” que considera la naturaleza dinámica del problema.

Los reglamentos contemplan la posibilidad de realizar análisis dinámicos

con integración temporal, definiendo la acción sísmica mediante varios

registros de aceleración. Estos registros pueden ser obtenidos de sismos

reales o bien generarse artificialmente y, cualquiera sea el caso, deben

cumplir con requisitos especiales a los efectos de asegurar que representan

adecuadamente el terremoto de diseño. De esta forma, se puede

representar la naturaleza dinámica de la acción sísmica, si bien el volumen

de los datos de salida es significativamente mayor que en los otros

métodos, debido a que todas las variables (solicitaciones y

desplazamientos) son funciones temporales y deben seleccionarse sus

valores máximos a los efectos del diseño.

El código ASCE/SEI 7-10 permite también realizar análisis dinámicos

inelásticos, es decir, considerando el comportamiento real de la estructura.

Sin embargo, la complejidad del análisis y la interpretación de los

resultados son significativamente mayores, por lo cual este procedimiento

debería ser aplicado solo por diseñadores con experiencia y conocimientos

profundos de la dinámica no lineal.

El reglamento ANSI/AISC 341-10 indica algunas pautas para el análisis

estructural en su Capítulo C.

Para los análisis elásticos se requiere que la rigidez de los miembros de

acero se determine a partir de las propiedades elásticas de las secciones,

mientras que en el caso de miembros compuestos (acero y hormigón) se

deben considerar las secciones fisuradas.

70

Finalmente, es importante presentar algunas consideraciones generales

sobre el análisis estructural. Powell, 2010, indica que el análisis es solo una

herramienta a aplicar en el diseño estructural, la cual comprende, en

general, tres etapas:

(i) modelación,

(ii) computación e

(iii) interpretación.

La primer etapa requiere de experiencia y juicio crítico, a los efectos de

formular un modelo que represente adecuadamente a la estructura real

(recordar que un modelo nunca es “exacto”).

La segunda etapa consiste en la resolución del modelo, tarea que se realiza

computacionalmente con programas de análisis estructural, para obtener

los resultados (esfuerzos y desplazamientos).

Por último, la tercer etapa implica la interpretación y utilización de los

resultados para tomar decisiones de diseño, es por ello que resulta de

fundamental importancia verificar los resultados obtenidos y así detectar

eventuales errores que pueden ocurrir ya sea porque el modelo es

inadecuado (error del usuario del programa) o bien por problemas en el

proceso de computación (error del programa).

El significativo avance tecnológico, tanto de las computadoras personales

como de los programas para análisis estructural, permite en la actualidad

formular modelos computacionales con un alto grado de sofisticación y

refinamiento. Las interfaces gráficas representan la estructura con gran

detalle, con imágenes de gran realismo, y esta situación conduce

usualmente a generar una sensación de seguridad sobre la precisión del

modelo. Sin embargo, el uso de estas modernas herramientas no garantiza

que los resultados obtenidos sean correctos. Al respecto, resultan de gran

valor las recomendaciones de Wilson (2010), “no use un programa de

análisis estructural a menos que comprenda completamente los

fundamentos teóricos y las aproximaciones aplicados en su desarrollo” y

71

además “no formule un modelo computacional a menos que se hayan

definido claramente las propiedades de los materiales, las cargas y las

condiciones de borde”. La modelación para el análisis estructural es un

tema que, más allá de su relevancia, escapa de los alcances de este

trabajo. Se recomienda al lector interesado profundizar este tema a partir

de los textos de Powell (2010), y Wilson (2010).

3.6 Técnicas Avanzadas de Diseño Sismo resistente

3.6.1 Sistemas de protección sísmica

Los criterios de diseño sismo resistente convencional, presentados en

secciones previas de este capítulo, se fundamentan principalmente en los

conceptos de ductilidad (capacidad de disipar energía) y sobre resistencia

estructural, de modo que se pueden reducir las acciones de diseño

inducidas por el sismo. Sin embargo, el desarrollo de la ductilidad implica

la plastificación localizada en ciertas zonas de la estructura y

eventualmente la ocurrencia de pandeo. Así por ejemplo, la Figura

3.8muestra el daño resultante en el extremo de una viga, luego de la

formación de una rótula plástica resultado de un ensayo de laboratorio. El

comportamiento estructural es adecuado, pero el desarrollo de la ductilidad

originó plastificación y pandeo local, lo cual es sinónimo de daño, el cual a

su vez ocasiona pérdidas económicas.

Fig. 3.8 Clasificación de los sistemas pasivos de disipación de energía

72

A partir de la década de 1980 se produjeron avances significativos en la

ingeniería sismo resistente, particularmente por el desarrollo e

implementación de distintos dispositivos o sistemas innovadores para

controlar la acción sísmica, con los cuales es posible evitar o reducir la

necesidad de desarrollar deformaciones plásticas en la estructura. En

términos generales, los sistemas para control de la vibración inducida por

el sismo (o por otras acciones como el viento) se pueden agrupar en dos

grandes categorías: (i) sistemas de control pasivos y (ii) sistemas de control

activo, híbrido o semi-activo. La Figura 3.9 muestra esquemáticamente, a

modo de resumen, la clasificación de los distintos sistemas de protección

sísmica.

El primer grupo comprende una amplia gama de soluciones destinadas a

modificar favorablemente algunas propiedades estructurales, tales como

amortiguamiento, rigidez, resistencia y ductilidad. Estos dispositivos,

usualmente, se incorporan a la estructura principal de modo tal que pueden

remplazarse fácilmente en caso de fuera necesario (en forma

conceptualmente similar a un fusible en una instalación eléctrica). Los

sistemas pasivos se pueden subdividir en dos grupos, de acuerdo al

principio en el que se basa su funcionamiento, esto es, el asilamiento

sísmico y la disipación adicional de energía (o amortiguamiento adicional).

Fig. 3.9 Clasificación de los distintos sistemas de protección sísmica

73

El aislamiento sísmico se basa en el concepto de desacoplar la respuesta

dinámica de la construcción con respecto a la componente horizontal del

movimiento del terreno, mediante la colocación de elementos de muy baja

rigidez horizontal dispuestos, generalmente entre la construcción y su

cimentación. Si bien se han propuesto muchos sistemas diferentes, su

aplicación práctica se hizo realidad con el desarrollo de los aisladores

formados por capas alternadas de goma (u otro material similar) y

planchuelas de acero inoxidable. La primera aplicación de aisladores de

goma se realizó en1969 para una escuela de tres niveles en Skopje,

Yugoslavia, diseñada y construida por un grupo de ingenieros suizos. Otro

ejemplo importante es el edificio William Clayton, construido en 1981 en

Wellington, Nueva Zelanda, donde se emplearon por primera vez

aisladores de goma y plomo, que representa uno de los métodos de

aislamiento sísmico más usados en la actualidad.

En los últimos 35 años se han diseñado y aplicado otros sistemas de

aislamiento, por ejemplo, el péndulo de fricción, sistema de pilotes

encamisados, etc.

Los disipadores de energía, o sistemas con amortiguamiento adicional,

mejoran la capacidad de disipar la energía trasmitida por el sismo y

protegen la estructura principal de los daños que podrían originarse si se

aplicaran los principios de diseño sismo resistente convencional. Estos

sistemas han tenido una difusión relativamente rápida, siendo aplicados

fundamentalmente para construcciones importantes y rehabilitación de

edificios históricos, especialmente en Estados Unidos, Japón, Italia y Nueva

Zelanda. Sin embargo, se han realizado también proyectos en Armenia,

Chile, China e Indonesia para el uso de estos sistemas en edificios de

vivienda de bajo costo. El control activo, híbrido o semi-activo incorpora

elementos especiales para la aplicación de fuerzas, los cuales son

controlados por un procesador que recibe información de sensores

ubicados en la estructura. De esta forma se logra, en tiempo real,

74

contrarrestar los efectos peligrosos de la acción sísmica, mejorando la

seguridad de la construcción.

Esta técnica presenta ventajas importantes y ha tenido cierta difusión y

desarrollo en los últimos veinte años para control de acciones de viento y

sismo. Las principales desventajas son la necesidad de asegurar el

suministro eléctrico durante el sismo y el mantenimiento constante de los

elementos que integran el sistema de control para que funcione

normalmente durante un terremoto. La mayoría de las aplicaciones de

control activo de edificios se han realizado en Japón (el primer caso es el

Kyobashi Seiwa Building, de once pisos, construido en 1989) y algunos

casos aislados en Estados Unidos, Taiwán y China (Soong y Spencer,

2000).

El desarrollo e implementación de los diversos sistemas de protección

sísmica surge, principalmente, como respuesta de la ingeniería estructural

a una demanda de la sociedad, que requiere no solo evitar la pérdida de

vidas humanas ocasionadas por los sismos, sino también reducir y

controlar las pérdidas económicas resultantes del daño de la construcción

y del lucro cesante producto de la interrupción de actividades económicas.

Estas nuevas soluciones, que se fundamentan en el avance científico y

tecnológico, presentan ventajas en términos económicos cuando el análisis

se formula en forma integral, mediante una evaluación de costos y

beneficios a lo largo de toda la vida útil de la construcción (ver Figura 3.10).

El costo inicial de la obra puede incrementarse ligeramente (5 a10%) por la

incorporación de sistemas de protección sísmica. Sin embargo, al

producirse un sismo, estos sistemas permiten reducir o eliminar las

pérdidas por daño y lucro cesante. Es por ello, que su aplicación se

incrementa año a año, tanto en los países desarrollados como en

desarrollo.

75


Para explicar conceptualmente el efecto estructural de los sistemas pasivos

de protección sísmica, puede recurrirse a los principios de la dinámica y a

consideraciones energéticas. La ecuación de equilibrio dinámico para un

sistema de un grado de libertad sometido a la acción sísmica puede

expresare como la suma de las fuerzas inerciales, fi, la fuerza de

amortiguamiento, fd, y la fuerza restitutiva fs (Uang y Bertero, 1988):

fi+fd+fs=mϑt +cϑ +fs=0 (Ec. 3.10)

(Ec. 3.10) Suma de fuerzas inerciales para ecuación de equilibrio dinámico

Donde m es la masa del sistema, c el amortiguamiento viscoso, ϑt es la

aceleración total y ϑ la velocidad.

Para el caso particular de un sistema linear y elástico, la fuerza restitutiva

es fs=k*v (donde k es la rigidez y v el desplazamiento relativo).

La aceleración total puede expresarse como la suma de la aceleración del

suelo (registro de aceleración medido instrumentalmente) y de la

aceleración relativa (ϑt =ϑg+ϑ) de modo que:

(Ec. 3.11)

(Ec. 3.11) Aceleración total – Efecto estructural sistemas pasivos

76

A partir de las ecuaciones de equilibrio dinámico puede derivarse una

ecuación equivalente en términos de energía (multiplicando cada término

por un diferencial de desplazamiento, dv, integrando y reagrupando):

(Ec. 3.12)

(Ec. 3.12) Ecuación equivalente de energía

Donde Ei representa la energía de introducida por el sismo al sistema

(input), Ek es la energía cinética, Ed es la energía disipada por

amortiguamiento viscoso, Es la energía de deformación elástica y Eh es la

energía disipada por comportamiento histerético. Es importante notar que

las energías cinética y deformación elásticas no son disipativas; por el

contrario estas energías ingresan al sistema y se intercambian según sean

los valores de la velocidad y del desplazamiento.

Para visualizar la diferencia, en términos energéticos (Ecuación 3.12) entre

el diseño convencional y el asilamiento sísmico, Popov et al., 1993,

propusieron una analogía en la cual la estructura se representa mediante

un recipiente y la energía del sismo mediante un cierto caudal de agua que

ingresa al mismo. En la Figura3.11 se presenta una versión adaptada de la

propuesta original de Popov et al. En el caso del diseño sismo resistente

convencional, el ingeniero estructural solo puede controlar, dentro de cierto

rango, la energía Eh que puede disipar el sistema (modificando la ductilidad

de los miembros estructurales).

Esta situación se representa en la Figura 3.11(a), en donde parte de la

energía ingresada permanece en el recipiente, Ek y Es, mientras que la

energía excedente es disipada en dos turbinas, Ed (amortiguamiento

viscoso) y Eh (histéresis).

77

Fig. 3.11 Analogía hidráulica para explicar los criterios de diseño (a) convencional,

(b) con aisladores

Cuando se incorporan aisladores a la construcción, su efecto puede

representarse en esta analogía mediante un desvío de parte del agua

ingresante, con lo cual se logra reducir la energía Ei, ver Figura 3.11. (b).

3.7 Sistemas Estructurales para Construcciones de Acero18

Las estructuras de acero han evolucionado a lo largo de más de un siglo

como resultado de la experiencia obtenida por la industria de la

construcción y de numerosas investigaciones destinadas a optimizar su

uso. Este avance ha permitido desarrollar distintos tipos de estructuras

sismo resistente, los cuales presentan variaciones no solo en su

comportamiento estructural, sino también diferencias constructivas,

funcionales y económicas.


78

Esto le permite al ingeniero estructural seleccionarla solución más

adecuada para casos particulares.

El reglamento ANSI/AISC 341-10 clasifica a los sistemas estructurales para

construcciones sismo resistentes de acero en dos grupos, según se indica

en la

Figura 3.12 (las siglas que se indican en cada caso corresponden con la

denominación en inglés adoptado por el reglamento).

Los sistemas del primer grupo se caracterizan porque el comportamiento

está controlado principalmente por la flexión, mientras que en el segundo

depende principalmente de las fuerzas axiales o el corte es importante

observar que para un mismo tipo estructural el reglamento considera la

posibilidad de que el sistema se diseñe como sistema especial u ordinario.

Los sistemas especiales requieren verificaciones y detalles constructivos

más estrictos, para asegurar un comportamiento muy dúctil, lo cual permite

utilizar un factor de modificación de respuesta R mayor (y por ende la acción

sísmica es menor).

En contraposición, los sistemas ordinarios se diseñan con acciones

sísmicas mayores (factor R menor) y por lo tanto el nivel de detalles

requerido es menos estricto. Resulta difícil indicar a priori cuál de las dos

alternativas resulta más económica. En principio, la experiencia indica que

los sistemas especiales requieren menor cantidad de acero (secciones

menores) si bien los detalles para conexiones son más costosos; en el caso

de los sistemas ordinarios, la situación es inversa.

El diseñador deberá evaluar las características y condicionantes de cada

caso para encontrar la solución óptima, considerando aspectos

estructurales, constructivos y de costo.

79

Fig. 3.12 Clasificación de los sistemas estructurales sismo resistente para

construcciones de acero

3.7.1 Pórticos no arriostrados

Los pórticos no arriostrados o pórticos resistentes a momento son

ensambles rectilíneos de vigas y columnas conectadas entre sí mediante

soldaduras, pernos o ambos (ver figura 3.13). Los miembros componentes

de estos pórticos quedan sometidos principalmente a momentos flectores

y esfuerzos de corte, que controlan su diseño, razón por la cual también se

los denomina “pórticos a momentos”.

80

Fig. 3.13 Vista general de una estructura de pórticos no arriostrados para un

edificio comercial

Este tipo estructural se caracteriza por su elevada capacidad de disipación

de energía, cuando se diseña y construye para tal fin. Las especificaciones

ANSI/AISC 341-10 consideran tres niveles de desempeño, esto es: pórticos

especiales, intermedios u ordinarios.

Un aspecto fundamental en el diseño de los pórticos no arriostrados son

las conexiones viga-columna, las cuales son necesarias desde el punto de

vista constructivo y deben asegurar que las vigas pueden desarrollar su

capacidad a flexión.

Dentro de las alternativas que ofrece este tipo estructural, las

especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10 contemplan un caso

particular: los pórticos con vigas reticuladas (ver Figura 3.14). Éstos se

caracterizan por contar con un segmento especial en la viga que se diseña

para deformaciones inelásticas significativas cuando es sometido a la

acción del sismo, de acuerdo a un mecanismo de deformación plástica

como el que se indica en la Figura 3.15 (Basha y Goel, 1994, Goel et al.,

1998). La disipación de energía resulta de la fluencia por flexión en los

cordones de la viga y la fluencia axial y pandeo de las barras diagonales

81

dentro del segmento especial. Las partes restantes de la viga y las

columnas se diseñan para permanecer en rango elástico.

Fig. 3.14 Pórtico no arriostrado con vigas reticuladas, (a) segmento especial con

reticulado en X, y (b) segmento con panel Vierendeel

Fig. 3.15 Mecanismo de deformación plástica para casos típicos de pórticos no

arriostrado con viga reticulada

De acuerdo a las especificaciones ANSI/AISC 341-10, la luz de la viga

reticulada no debe exceder los 20 m y su altura total no debe ser mayor que

1.8m. La longitud del segmento especial debe estar comprendida entre 0.1

82

y 0.5 veces la luz de la viga (el primer límite surge de consideraciones para

controlar la demanda de ductilidad en los componentes que fluyen,

mientras que el segundo límite se debe a razones prácticas). La relación

entre la longitud y la altura de cualquier panel dentro de la zona del

segmento especial debe estar comprendida entre 0.67 y 1.5. Es

recomendable disponer el segmento especial en la zona central de la viga,

debido a que el esfuerzo de corte producido por las cargas gravitatorias es

mínimo en esta posición.

Los ensayos estructurales realizados por distintos investigadores indican

que los pórticos especiales con viga reticulada presentan un

comportamiento dúctil, con una respuesta cíclica estable hasta distorsiones

de piso del 3%.

3.7.2 Pórticos arriostrados concéntricamente

Los pórticos arriostrados surgieron a comienzos del siglo XX como una

alternativa estructural para edificios de mediana y baja altura. La presencia

de las barras diagonales o riostras modifica significativamente el

comportamiento del pórtico, dado que se forma una estructura reticulada,

con triangulaciones (ver Figura 3.16). Las acciones laterales de viento y

sismo inducen en la estructura principalmente esfuerzos axiales de tracción

y compresión. Este tipo estructural se caracteriza por una elevada rigidez

lateral, lo que permite un adecuado control de los desplazamientos.

83

Fig. 3.16 Vista de un edificio en construcción con pórticos arriostrados

Se pueden plantear diferentes configuraciones, como se muestra

esquemáticamente en la Figura 3.17. La adopción de la configuración más

conveniente en cada caso se realiza a partir de consideraciones

estructurales, funcionales y eventualmente aspectos estéticos.

Fig. 3.17 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados concéntricamente, (a)

riostras en X, (b) en K, (c) en diagonal, (d) en V invertida y (e) en V

84

Desde el punto de vista arquitectónico, los pórticos no arriostrados pueden

considerarse como menos invasivos, debido a que otorgan mayor libertad

al diseñador en la distribución de espacios. La disposición de las riostras,

ya sea en las fachadas o en pórticos interiores puede dificultar la ubicación

de aberturas o dificultarlas circulaciones. Sin embargo, muchos arquitectos

han logrado excelentes diseños mostrando y resaltando las riostras como

componentes importantes de la solución estética adoptada, como se

muestra en los ejemplos de la Figura 3.18.

Fig. 3.18 Edificio “Hearst Tower”, en New York y Tokyo Sky Tree

Los arriostramientos concéntricos de acero presentan ventajas

significativas para la rehabilitación sísmica de estructuras (ver Figura 3.19),

ya que permiten fabricarlos componentes de acero en taller y luego

montarlos en obra con alteraciones mínimas de la actividad que se

desarrolla en la construcción, particularmente en los casos en los que los

pórticos arriostrados se disponen en la periferia de la construcción. Otra

solución interesante es colocar solamente riostras de acero para rehabilitar

estructuras aporticadas existentes (de acero u hormigón armado), tal como

se muestra en la Figura 3.20.

85

Fig. 3.19 Vista de un pórtico arriostrado de acero utilizado para la rehabilitación de

una estructura existente de hormigón armado

Las especificaciones sísmicas AISC consideran dos categorías de pórticos

arriostrados concéntricamente: especiales y ordinarios, según su nivel de

desempeño para el cual se diseñarán. Como se indicó anteriormente, en

los pórticos especiales se utiliza un factor de respuesta R mayor y los

requerimientos y detalles son más estrictos que en el caso de los pórticos

ordinarios.

Fig. 3.20 Ejemplo de rehabilitación mediante el agregado de riostras de acero a una

estructura de hormigón armado

86

3.7.3 Pórticos arriostrados excéntricamente

Los pórticos no arriostrados pueden exhibir una respuesta dúctil y estable;

sin embargo, son estructuras relativamente flexibles y el diseño usualmente

es controlado por las limitaciones de la distorsión de piso.

Los pórticos con arriostramientos concéntricos representan una situación

inversa, debido a que se caracterizan por una elevada rigidez lateral, pero

su comportamiento sismo resistente puede verse afectado por el pandeo

de las riostras comprimidas. Es por ello que en la década de 1970 se

desarrolló en Japón (Fujimoto etal., 1972, y Tanabashi et al., 1974) y en

Estados Unidos de América (Popov et al. 1987 y 1989) un sistema que trata

de combinar las ventajas de los dos anteriores, contrarrestando sus

debilidades. Así, surgieron los pórticos arriostrados excéntricamente, en los

cuales las riostras se disponen deliberadamente de forma tal degenerar una

excentricidad en la viga (ver Figura 3.21) donde se inducen esfuerzos de

corte y momentos flectores elevados. Estas zonas, llamadas enlaces se

diseñan especialmente para disipar energía mientras el resto de los

componentes se diseñan para responder esencialmente en rango elástico.

(a)

87

(b)

Fig. 3.21 Ejemplos de pórticos con arriostramientos excéntricos

La Figura 3.22 muestra las configuraciones más usuales con el enlace

(zona dúctil) ubicado en las vigas.

Fig. 3.22 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados excéntricamente

No es recomendable generar la zona de enlace en las columnas, debido a

que en ese caso el esfuerzo axial (variable por efecto de la acción sísmica)

88

dificulta la determinación precisa de la resistencia a flexión y corte. Además,

la falla no deseada del enlace en la columna tendría consecuencias mucho

más graves que si el mismo se dispusiera en las vigas.

La Figura 3.22(a) muestra un pórtico arriostrado con enlace interior, esto es

en la parte central de la viga, mientras que las Figura 3.22(b) y (c)

representan configuraciones con enlace exterior, en las que el enlace está

en los extremos de la viga. En estos dos últimos casos la conexión viga-

columna se encuentra ubicada en la zona dúctil, donde se generan

solicitaciones elevadas de flexión y corte. Es por ello que la conexión debe

diseñarse con requerimientos similares a los aplicados en el caso de

conexiones en pórticos no arriostrados dúctiles.

Los pórticos arriostrados con conexiones excéntricas constituyen un buen

ejemplo de aplicación del diseño por capacidad, mediante el cual el

diseñador define un mecanismo de deformación plástica (fluencia por

flexión y/o corte en el enlace) y evita modos de falla no deseados (pandeo

de las riostras y columnas).

Estas estructuras representan una solución excelente para el diseño sismo

resistente debido a que combinan una elevada rigidez lateral, por efecto de

las riostras, y una muy adecuada capacidad de disipación de energía. Por

estas razones, fueron adoptados rápidamente como sistema estructural en

distinto tipo de construcciones sismo resistente, incluso en casos de

rehabilitación de estructuras existentes.

Los esfuerzos típicos que la acción sísmica induce en este tipo de pórticos

se presentan en la Figura 3.23, para el caso de una estructura simple de

dos pisos, con el enlace en la parte central de la viga. Se observa

claramente cómo la conexión excéntrica genera esfuerzos elevados de

flexión y corte en la zona del enlace. Estos esfuerzos son los que producen

la fluencia en dicha zona, disipando energía y asegurando así una

adecuada ductilidad al sistema. La relación entre el momento flector y el

89

corte inducidos en el enlace puede modificarse si se varía la longitud del

mismo. De esta forma el diseñador puede controlar el comportamiento del

enlace, para que éste fluya por corte o por flexión, siendo el primer

mecanismo de fluencia el más conveniente.

Fig. 3.23 Diagramas de solicitaciones por acción sísmica, (a) momentos flectores,

(b) corte, y esfuerzos axiales

El enlace debe diseñarse y detallarse en forma adecuada para asegurar

una respuesta dúctil y estable, para lo cual es importante controlar los

problemas de inestabilidad por pandeo local. Los ensayos de laboratorio

muestra que esto puede lograrse mediante el uso rigidizadores verticales

dispuestos en el alma del perfil. La Figura 3.24 muestra el detalle típico de

un enlace.

90

Fig. 3.24 Detalle del enlace en un pórtico con arriostramientos Excéntricos

3.7.4 Sistemas de columnas en voladizo

Las columnas en voladizo (cantiléver columns) constituyen un sistema

estructural simple, en el cual el comportamiento de las columnas está

controlado por la flexión originada por las acciones laterales, tales como

viento o sismo. En la Figura 3.25 se muestra el esquema de una columna

en voladizo y se representan los diagramas de solicitaciones típicos. El

diagrama de momentos flectores presenta su valor máximo en la base,

donde la columna se empotra en la fundación o en otro elemento

estructural. Este sistema se emplea en construcciones industriales,

soportes de equipos o tanques, estanterías para mercaderías, pilas de

puentes, etc. En la Figura 3.26 se presenta algunos ejemplos

deconstrucciones que incorporan este sistema estructural.

91

Fig. 3.25 Esquema de una columna en voladizo y diagramas de solicitaciones

(a) (b)

92

(c)

Fig. 3.26 Ejemplos del sistema estructural columnas en voladizo (a), (b) y (c)

Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 considerandos casos para las

columnas en voladizo, esto es ordinarias o especiales, según el nivel de

desempeño esperado. Las primeras se diseñan considerando que

presentan una capacidad de deformación inelástica mínima como resultado

de la fluencia por flexión, mientras que en las columnas especiales dicha

capacidades limitada. En ambos casos se especifica que las columnas

deben diseñarse a partir de las combinaciones de carga amplificadas y que

la carga requerida en la columna no puede exceder el 15% de la resistencia

disponible.

En las columnas especiales se especifican ciertos requerimientos

adicionales para alcanzar una respuesta con ductilidad limitada. Es así que

se requiere que las columnas cumplan con los criterios de miembros de alta

ductilidad y dispongan de arriostramientos para satisfacer las condiciones

de vigas clasificadas como miembros de ductilidad moderada. Además se

requiere que la base de las columnas, a lo largo de una longitud de dos

veces la altura de la sección, se considere como zonas protegidas y las

soldaduras de empalmes y de la conexión base-columna cumplan los

requerimientos de soldaduras de demanda crítica.

93

3.7.5 Pórticos con riostras de pandeo restringido

Las riostras de pandeo restringido son disipadores de fluencia incorporados

en la misma riostra, las cuales fueron desarrolladas originalmente en Japón

y han sido aplicadas como una conveniente solución estructural, ver

Figuras 3.27 y 3.28, en varios países. Esta es la razón por la cual la las

especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10 incluyen estos dispositivos

como sistema estructural: los pórticos con riostras de pandeo restringidos

(BRBF, buckling-restrained braced frames).

Fig. 3.27 Pórtico de acero con riostras de pandeo restringido

Fig. 3.28 Vista de una riostra de pandeo

restringido utilizada en nuevo edificio

de la Universidad de California, Berkeley

94

Las riostras de pandeo restringido están formadas por una barra o núcleo

de acero recubierto por una capa deslizante o antiadherente; esta barra se

inserta en un tubo exterior, el cual se rellena con mortero de cemento

(grout), como se ilustra en la Figura 3.29. De esta forma, se logra que el

núcleo de acero fluya tanto en tracción como en compresión, dado que el

tubo exterior y el mortero de relleno evitan en pandeo global y local del

núcleo. Las ventajas de las riostras de pandeo restringido frente a una

riostra típica son significativas, debido a que se logra una respuesta estable

y sin la reducción del área de los ciclos de histéresis por problemas de

pandeo.

Fig. 3.29 Detalle de una riostra de pandeo restringido, formada por un núcleo de

acero de acero recubierto con una capa deslizante dentro de un tubo exterior

relleno con mortero de cemento

95

3.7.6 Muros de corte con placas de acero

Los muros de corte con placas de acero (SPSW, por las siglas en inglés de

steel plate shear walls) son estructuras formadas por placas esbeltas (alma

del muro) conectadas a componentes de borde horizontal (HBE) y vertical

(VBE), ver Figura 3.30. Las placas de acero se diseñan para fluir y pandear

bajo la acción sísmica y constituyen así el principal mecanismo de

deformación plástica y disipación de energía, mientras los componentes de

borde permanecen en rango elástico. Solo se admite la formación de

rótulas plásticas en los componentes de borde horizontal o vigas. Si bien

este sistema estructural se ha usado desde hace varias décadas en

distintos países, recién en el año 2005 fue explícitamente incluido en las

especificaciones sísmicas del AISC. En la Figura 3.31 se muestra un

ejemplo de este sistema estructural en un edificio en construcción.

En el caso de existir aberturas, éstas deben disponer de elementos

intermedios de borde que rodeen totalmente su perímetro.

Fig. 3.30 Esquema de muros de corte con placas de acero (a) sin aberturas y (b)

con aberturas

El tipo más usual de muros con placas de acero es el que incluye placas

esbeltas sin rigidizadores, y representa la base para la cual fueron

96

formuladas las especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10. Otra

alternativa es el uso de muros con placas rigidizadas, mediante elementos

adicionales de acero que incrementan la resistencia al pandeo de la placa

por corte. De acuerdo con las características de los rigidizadores, se logra

un efecto de rigidización total o parcial (en los casos en que son

relativamente flexibles en comparación con la placa). Adicionalmente,

pueden usarse muros compuestos con placas de acero, en los cuales se

agrega hormigón en una o en ambas caras de la placa.

La rigidización de la placa de acero tiene un efecto moderado sobre la

rigidez y la resistencia de la estructura, pero mejora significativamente la

respuesta histerética pues permite controlar el pandeo local y reducir el

efecto de estrangulamiento de los ciclos. Adicionalmente, el uso de

rigidizadores disminuye la demanda de resistencia y rigidez sobre los

componentes de borde. Sin embargo, estas ventajas estructurales se ven

contrarrestadas por un aumento de los costos y tiempos de construcción,

por lo cual se recomienda el uso de placas sin rigidizar (Sabelli y Bruneau,

2006).

Fig. 3.31 Ejemplo de muros de corte con placas de acero en un edificio en

construcción

97

3.8 Sistemas Sismo resistentes

El sistema sismo resistente (seismic load resistent systems, SLRS) de una

construcción, comprende todos los componentes estructurales y sus

conexiones, necesarios para transferir las fuerzas de inercia inducidas por

el sismo desde su punto de origen hasta el terreno de fundación. Los

componentes de un sistema típico, para el caso de edificios, pueden

agruparse en:

Componentes verticales, que usualmente se disponen formando un plano

resistente y conforman uno o más de los tipos estructurales descriptos

previamente, tales como pórticos no arriostrados, pórticos arriostrados,

tabiques con placas de acero, etc.

Diafragmas horizontales, formados por losas, riostras u otros

componentes, con el objeto de trasmitir las fuerzas de inercia. Estos

diafragmas actúan como placas horizontales que distribuyen dichas fuerzas

entre los componentes verticales, permitiendo así que se transfieran hasta

el terreno de fundación.

Fundaciones, tienen como función transferir todas las cargas al terreno

sobre el que se funda la construcción.

De acuerdo a las características del terreno, tipo de estructura, técnicas

constructivas disponibles, etc., se usan distintos tipos de cimentaciones,

tales como, bases superficiales, pilotes, bases corridas o continuas, etc.

Conexiones, entre los distintos componentes que componen el sistema. El

adecuado diseño y construcción de las conexiones constituyen un aspecto

fundamental para garantizar la condición sismo resistente de todo el

sistema.

98

CAPITULO IV

4. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO EN

ESTRUCTURA DE ACERO

Este proyecto está orientado a la nueva aplicación de sistemas de

protección sísmica en edificios de mediana altura construidos de acero con

un tipo de uso, destino e importancia de la estructura diferente al resto de

estructuras que además de también ser importantes, las que más crédito

de aplicabilidad tienen son las edificaciones esenciales y/o peligrosas (ver

tabla 2.1).

El sistema estructural sismo resistente aplicado al edificio propuesto está

conformado por pórticos no arriostrados, información que se detallara en

este capítulo más adelante.

Al tratarse de una nueva metodología constructiva que tiene gran

relevancia a nivel mundial ya existen edificaciones que han sido construidas

con este sistema de protección las cuales demuestran buenos

comportamientos ante las eventualidades sísmicas que se han producido

en la región sur de nuestro continente americano, no está por demás

inmiscuirnos en el tema ya que nuestro país también puede tener una

eventualidad sísmica similar a la de nuestros países vecinos.

Al ser esta una investigación de carácter informativa y demostrativa que

hace referencia a la aplicación de aisladores sísmicos de base en la

cimentación del edificio propuesto, esto hace que las consideraciones a

tomarse sean las adecuadas para tener establecido un buen

funcionamiento y comportamiento de la estructura ante la aplicación de

dichos sistemas de protección sísmica de base, en esta oportunidad se

pondrá en conocimiento la aplicación del programa computacional para

estructuras ETABS.

99

4.1 Sistema Estructural Sismo Resistente de Pórticos no

arriostrados

Los pórticos no arriostrados, o pórticos a momentos, están formados por

distintos componentes que se vinculan entre sí para formar una estructura

resistente; usualmente los componentes principales son rectilíneos y se

disponen en posición vertical (columnas) y horizontal (vigas). Desde el

punto de vista estructural, y a los efectos del diseño, se deben considerar

los siguientes componentes (ver Figura 4.1):

vigas

columnas

conexiones viga-columnas

panel nodal (o zona panel)

empalmes

base de columnas

(a) (b)

Fig. 4.1 Componentes estructurales de un pórtico no arriostrado, (a) vista general y

(b) detalle de una conexión viga- columna

La Figura 4.1 muestra el esquema constructivo más usual para edificios, en

el cual las columnas son continuas en la zona de los nudos, con empalmes

ubicados en la zona central de las mismas. Las vigas se vinculan a las

100

columnas en la etapa de montaje mediante las conexiones

correspondientes, que representan uno de los componentes más

importantes del sistema para asegurar una respuesta dúctil y estable.

También se ha desarrollado e implementado un esquema constructivo,

denominado pórticos con columna-árbol en el que las columnas se fabrican

en taller con tramos de vigas ya vinculados, y luego en obra se conectan

los componentes entre sí para formar el pórtico con empalmes en vigas y

columnas (zonas donde las solicitaciones por sismo son mínimas. De esta

forma se logra que el nudo viga-columna se construya enteramente en taller

bajo condiciones óptimas de trabajo, lo cual es muy importante para el caso

de uniones soldadas.

4.2 Comportamiento estructural

Las distintas cargas que actúan sobre los pórticos no arriostrados inducen

esfuerzos internos, controlando el diseño los momentos flectores. Para el

caso particular de la acción sísmica (ver Figura 4.2) los momentos flectores

desarrollan sus valores máximos en los extremos de vigas y columnas,

donde pueden formarse rótulas plásticas para permitir la disipación de

energía por fluencia del acero.

Fig. 4.2 Diagramas típicos de (a) momentos flectores y (b) esfuerzos de corte en un

pórtico sometido a la acción sísmica

101

Consideraciones analíticas y experimentales indican que se puede lograr

una excelente respuesta estructural si se induce a través del diseño la

formación de un mecanismo de “viga débil-columna fuerte”.

En este mecanismo, las rótulas plásticas se forman en los extremos de las

vigas, mientras las columnas permanecen en rango elástico (con excepción

de la base de las columnas), como se ilustra en la Figura 4.3(a). Las

columnas están sometidas a carga axial variable por el efecto del sismo, lo

cual afecta la resistencia y ductilidad de las mismas; además, la falla de

una columna puede originar colapso parcial o total del edificio, mientras que

la misma falla en un viga presenta efectos menos significativos. Estas son

las razones principales por las que se protegen las columnas del pórtico,

mediante la condición de que las mismas se mantengan en rango elástico.

Para lograr este objetivo es de fundamental importancia aplicar los

conceptos del diseño por capacidad de modo de obtener una respuesta

dúctil, donde la plastificación de las vigas se produce en forma progresiva

y el sistema es capaz de desarrollar una respuesta dúctil, ver Figura 4.3(b).

102

Fig. 4.3 Comportamiento estructural, (a) Mecanismo de deformación plástica y (b)

respuesta corte basal - desplazamiento lateral

Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 definen tres tipos de pórticos no

arriostrados: especiales (SMF), intermedios (IMF) y ordinarios (OMF), de

acuerdo al grado de comportamiento dúctil que se considera en el diseño.

La diferencia fundamental entre ellos es que se diseñan con distintos

niveles de capacidad de rotación inelástica en las rótulas plásticas. En las

secciones siguientes se presentan los principales aspectos vinculados al

diseño de las tres categorías de pórticos no arriostrados. Conexiones viga-

columna. Conexiones precalificadas

Las conexiones de los pórticos no arriostrados influyen significativamente

en el comportamiento estructural de los mismos. Estas conexiones, en

general pueden clasificarse en tres grupos, según su rigidez flexional. El

primer grupo está constituido por las conexiones totalmente restringidas

(FR, siglas por la denominación en inglés full y restrained), que son aquellas

capaces de transferir momento flector con una rotación relativa

despreciable. Usualmente se considera que esta situación requiere que la

rigidez flexional de la conexión sea igual o mayor que 20 veces la rigidez

de la viga, EI/L. Las conexiones parcialmente restringidas (PR, partially

restrained) son capaces de transferir momento, pero en este caso la

rotación no es despreciable.

103

Esta condición se presenta con conexiones cuya rigidez flexional está

comprendida entre 20 y 2 veces la rigidez RI/L de la viga. Si la rigidez de la

conexión es menor se asume que la misma es equivalente a una

articulación, de modo que su capacidad de transferir momentos es

despreciable. Estos conceptos se ilustran en la Figura 4.4 mediante

diagramas momento-rotación.

Los pórticos no arriostrados sismo resistentes deben construirse con

conexiones parcial o totalmente restringidas.

Fig. 4.4 Diagramas momento-rotación típico de conexiones totalmente restringidas,

parcialmente restringidas y articuladas

Con el objeto de evitar las fallas en las conexiones viga-columna

observadas en las edificaciones que soportaron el terremoto de Northridge

(ocurrido en California, USA, en 1994), las especificaciones sísmicas

vigentes requieren el uso de “conexiones precalificadas” en pórticos no

arriostrados sismo resistentes.

Se entiende como tal aquellas conexiones que han sido validadas en forma

experimental, ya sea como parte del proyecto que se desarrolla o bien en

ensayos previos que se encuentran debidamente documentados.

104

El proceso de precalificación implica que:

Existe suficiente información experimental y analítica para asegurar que la

conexión presenta adecuada capacidad de deformación plástica.

Se dispone de modelos racionales para predecir la resistencia asociada a

los distintos modos de falla y la capacidad de deformación, a partir de las

propiedades geométricas y mecánicas de los elementos componentes.

Los datos existentes permiten evaluar estadísticamente la confiabilidad de

la conexión.

Como resultado del proceso de precalificación, el ingeniero estructural

dispone de criterios y pautas para diseñar la conexión. Adicionalmente,

para cada tipo de conexión se indican el campo de aplicación y limitaciones

para su uso, tales como dimensiones máximas de vigas y columnas, tipos

de soldaduras, características del acero, etc.

4.3 Modelación computacional en el programa ETABS

4.3.1 Antecedentes generales

La investigación está enfocada en el Bloque “E” del Hospital Regional

Docente Ambato, que está destinado para el área de hospitalización en las

diferentes especialidades que se ofrecen en el hospital, sus instalaciones

son parte de un proyecto de ampliación y remodelación que se las puede

apreciar en los siguientes gráficos:

Fig. 4.5 Planta - Diagrama de Ubicación de Bloques

105

Fig. 4.6 Render - Vista general del proyecto a futuro

Fig. 4.7 Vista satelital de la implantación del Hospital Regional Docente Ambato

106

4.3.2 Consideraciones generales para el modelamiento de la

estructura empotrada.

Estructuración

El modelo que estamos considerando para nuestro estudio se ha

estructurado de acuerdo a las siguientes características:

- Simetría simple en planta.

- Continuidad en los elementos estructurales verticales.

- Sin cambios de rigidez con la altura.

- Ejes de vigas coincidentes con ejes de columnas.

Fig. 4.8 Planta Arquitectónica Nv+ 3.96m

107

Fig. 4.9 Elevación Fachada “Bloque E

El presente informe comprende el análisis y diseño estructural del edificio

de 7 niveles y un último nivel que cumple la función de tapa gradas y a la

vez de cubierta para el área los ascensores, conformado por estructura

metálica, la altura de entrepiso es de 3.96m para el primer nivel y para el

resto de niveles tipo.

La losa de steel panel, estará apoyada sobre vigas secundarias, las cuales

estarán dispuestas en el sentido corto de 7.20m.

Para el análisis se han considerado varios factores fundamentales:

Comportamiento estructural

Configuración estructural.

Requisitos para los modelos estructurales y sus análisis.

Factores de reducción y factor de amplificación.

Selección del método de análisis sísmico.

Modelos estructurales y sus análisis

Rigideces de los elementos para que sean compactos.

108

Las normas que se han aplicado en el diseño de este proyecto son las que

se indican a continuación:

ANSI/AISC 360-10 (Specification for Structural Steel Bulilding)

AISC-LRFD -99

NEC-11 (Norma Ecuatoriana de la Construcción 2011)

4.3.3 Modelamiento de la estructura empotrada

Propiedades de los Materiales

Acero de Refuerzo fy=4200.00 kg/cm2

Acero Estructural A-36 fy=2536.37kg/cm2

Hormigón Simple f’c=210.00 kg/cm2

Propiedades Mecánicas Hormigón A.:

- La Resistencia a la compresión del hormigón de fc’=210 kg/cm²

- Módulo de elasticidad del hormigón es: 12000 √210=173896,52 Kg/cm².

- Módulo de Corte 72456,883 Kg/cm².

- Peso específico hormigón 2400 kg/m³.

- Esfuerzo de tensión 4200 kg/cm2.

Fig. 4.10 Propiedades de hormigón fc=210kg/cm2

109

Propiedades Mecánicas Acero Estructural A-36.:

El acero más común es el A-36 que tiene un contenido máximo de carbono

de 25.00% a 29.00%, dependiendo del espesor y un límite elástico de 36ksi

(2536.30 Kg/cm2). En la normativa ASTM, los aceros al carbono más

empleados son A36, A53, A500, A501, A529, A570, y A709 (grado36). Sus

límites elásticos varían desde 25 a 100ksi (1760 a 7000 Kg/ cm2)

Se muestran las propiedades más utilizadas del acero A-36 que es el que

se utilizara para el diseño en el programa de cálculo estructural Etabs.

Fig.4.11

- Esfuerzo tensión del acero fy=2536,369 kg/cm²

- Módulo de elasticidad del acero es: 2100000 Kg/cm².

- Módulo de Corte 807692,31 Kg/cm².

- Peso específico del acero 7850 kg/m³.

Fig. 4.11 Propiedades de Acero A-36

4.3.4 Estructuración del proyecto (diseño)

Consiste en un edificio de seis plantas sobre rasante y una planta baja, el

edificio está ubicado en Ambato, la altura de entrepiso es de 3,96 m;

presentando una altura sobre rasante de 23,76 metros.

110

El sistema de este edificio se basa en el sistema estructural no arriostrado,

podemos observar que existen 6 pórticos resistentes en dirección X, y 4

pórticos en dirección Y.

Fig. 4.12 Malla de ejes ETABS

COLUMNAS

Están diseñadas bajo las especificaciones ANSI/AISC 341-10 como

elementos a compresión, las columnas son cuadradas de sección hueca

de acero estructural que en los primeros 4 pisos del edifico se colocaron

rellenas de hormigón identificada como C1COMP (fig. 4.13), y en los pisos

restantes las columnas son cajones sin relleno de hormigón identificada

como C2 (fig.4.14).

Están formadas por dos o más perfiles simples, donde la unión de los

elementos es con unión o cordón continuo de soldadura.

COLUMNAS

ID. a

(mm)

b

(mm)

t

(mm)

C2

550

550

12

C1COMP

600

600

18

111

Fig. 4.13 Columna Compuesta C1COMP

Fig. 4.14 Columna C2

112

VIGAS I

Están formadas por dos o más perfiles simples, donde la unión de los

elementos es con unión o cordón continuo de soldadura

Las vigas establecidas fueron diseñadas según las especificaciones

ANSI/AISC 341-10, como elementos a flexión considerando que los

elementos cumplen con las condiciones para que sean compactos (ver Fig.

4.15).

VIGAS

ID. h

(mm)

tw

(mm)

b

(mm)

bf

(mm)

V1

650

18

350

20

VS1

350

8

200

12

Fig. 4.15 (V1) y (VS1) Viga I formada por perfiles simples

113

PLACA COLABORANTE

El "metal deck", llamado también como placas de "steel deck” o placa

colaborante es el tipo de placas combinadas, de sección compuesta de

hormigón y acero, utilizados comúnmente para edificios de estructura

metálica.

Las losas que se conforman como entrepiso de los edificios metálicos

tienen los siguientes elementos de constitución:

"Steel Deck" que cumple dos funciones principales:

Servir de formaleta de contacto que además cumple las funciones

para sostener el peso propio, el del hormigón y el de las cargas vivas

durante el proceso de construcción.

Servir de refuerzo positivo de la losa, que forma con el hormigón un

conjunto una vez que éste fragüe para sostener las cargas muertas

y vivas de la edificación.

hs (mm) Sr (mm) wr (mm) tc (mm) hr (mm)

150 300 100 80 50

114

Fig. 4.16 Conformación de la placa colaborante de entrepiso

(a)

115

(b)

Fig. 4.17 (a) Vista elevación eje II secciones de los elementos-sentido X

(b)Vista elevación eje 26 secciones de los elementos-sentido Y

(a)

116

(b)

Fig. 4.18 (a) y (b) Vista 3D Estructura total del bloque E

4.3.5 Análisis estático

Las cargas estáticas pueden tener un origen gravitatorio, de viento, de

nieve, etc. Existen procedimientos para el análisis sísmico de edificios en

los que las solicitaciones sísmicas se pueden representar por medio de un

conjunto de cargas estáticas.

El programa ETABS, organiza el Análisis Estático en casos de carga

estática, cada uno de los cuales contiene un conjunto de cargas de origen

semejante y que actúan simultáneamente en los objetos del modelo.

Peso Propio: Lo proporciona y calcula el programa, llevará como nombre

“Peso Propio” y será del Tipo “Dead”; no se asignará carga con este patrón.

Carga Muerta sobreimpuesta: Proporcionado por el peso de

elementos y materiales que forman parte del edificio, tales como

instalaciones, acabados de cielo raso, piso terminado,

117

mamposterías internas como muros de subdivisión, etc. Su nombre

será “CM”

Fig. 4.19 Carga muerta sobreimpuesta

Sobre carga de uso o Carga Viva: Dependen de la ocupación a la

que está destinada la edificación y están conformadas por los pesos

de personas, muebles, equipos y accesorios móviles o temporales,

mercadería en transición y otras.

Las sobrecargas mínimas a considerarse en la NEC-11 son las siguientes:

Tabla 4.1 Sobrecargas mínimas uniformemente distribuidas, Lo y concentradas

(Po)

OCUPACIÓN O USO

C. Uniforme

KN/m2

C. Concentrada

KN

HOSPITALES

Sala de quirófanos, laboratorios

Sala de pacientes

Corredores en pisos superiores a la

planta baja

2.90

2.00

4.00

4.50

4.50

4.50

FUENTE: NEC-11(CAP1 TABLA 1.2)

118

Fig. 4.20 Sobre carga de uso o carga viva

Carga Viva de Cubierta: Generalmente considera el peso de las

personas que intervendrán en la colocación de las luminarias,

acabados, colocación de coberturas e instrumentos.

4.3.5.1 Cargas Sísmicas

Para las cargas sísmicas se utilizará el coeficiente sísmico, tomando los

factores del cortante basal dados en el NEC-11con la siguiente ecuación:

DONDE:

Sa= Aceleración espectral correspondiente al espectro de respuesta

elástico para diseño.

R= Factor de reducción de respuesta estructural

φP,φE= coeficientes de configuración estructural en planta y en elevación,

respectivamente

Z= Factor de zona sísmica, tabla 2.1 NEC-11

W= Peso de la estructura, considerando: 100%D+25%L

119

COEFICIENTE Z:

Tabla N°2.1.NEC-11. Valor del factor Z en función de la zona sísmica

adoptada

Zona sísmica IV

Valor factor Z 0.4

El valor de Z se escoge de acuerdo al lugar donde se realiza el proyecto

Tabla N° 2.2.NEC-11. Poblaciones Ecuatorianas y valor del factor Z

POBLACIÓN PARROQUIA CANTÓN PROVINCIA Z

Ambato Ambato Ambato Riobamba 0,4

Z=0.4

COEFICIENTE I:

En el presente caso: Se ha establecido que es un edificio de hospitalización

en las diferentes áreas que ofrece el Hospital Regional Docente de Ambato

I=1.5

Tabla 2.9. NEC-11. Tipo de uso, destino e importancia de la estructura

COEFICIENTE Φp, Φe:

Tabla 2.10 NEC-11. Configuraciones estructurales recomendadas

ESPECTRO ELÁSTICO DE DISEÑO EN ACELERACIONES Sa:

Sa= n*z*fa si T<Tc

Sa=n*z*Fa (Tc/T) ^r si T>Tc, donde r=1, para tipo de suelo A, B o C

Calculo de T: T=Ct (hn)α

T=1.027

Ct = 0.072 y α = 0.80 (Para estructuras de acero sin arriostramientos).

120

hn= 27.72 (Altura máxima de la edificación de n pisos, medida desde la

base de la estructura, en metros. No se considera la tapa grada como piso

adicional, porque su peso es menor al 25% del valor de la terraza)

Calculo de Tc:

TC = 0.55FS*Fd/Fa

Tc=0.755

Fa= 1.23 (Tabla 2.5. NEC-11)

Fd= 1.35 (Tabla 2.6. NEC-11)

Fs= 1.25 (Tabla 2.7. NEC-11)

Calculo de Sa:

Sa=n*z*Fa (Tc/T)^r si T>Tc, donde r=1, para tipo de suelo A, B o C

n=2.5Provincia Sierra, Esmeraldas y Galápagos

Sa=0.9

COEFICIENTE R:

Tabla 2.14. Coeficiente de reducción de respuesta estructural R

Pórticos espaciales sismo-resistentes, de acero laminado en caliente o con

elementos armados de placas.

R=6

RESUMEN DE FACTORES

Sa= 0.90

I= 1.5

R= 6

Φp= 1

ΦE= 1

CORTANTE BASAL DE DISEÑO

V=0.224W

121

El cortante de piso Vx debe distribuirse entre los diferentes elementos del

sistema resistente a cargas laterales en proporción a sus rigideces,

considerando la rigidez del piso. En el caso de que la estructura presente

un sistema de pisos flexibles, la distribución del cortante de piso hacia los

elementos del sistema resistente se realizara tomando en cuenta aquella

condición.

La masa de cada nivel debe considerarse como concentrada en el centro

de masas del piso, pero desplazada una distancia igual al 5 por ciento de

la máxima dimensión del edificio en ese piso, perpendicular a la dirección

de aplicación de las fuerzas laterales bajo consideración, con el fin de tomar

en cuenta los posibles efectos de torsión accidental, tanto para estructuras

regulares como para estructuras irregulares. El efecto de este

desplazamiento debe incluirse en la distribución del cortante de piso y en

los momentos torsionales.

(a)

(b)

Fig. 4.21 (a) Cortante basal de diseño dado al programa para sismo en X

(b) Cortante basal de diseño dado al programa para sismo en Y

122

4.3.6 Análisis Dinámico Espectral

4.3.6.1 Espectro elástico de diseño en aceleraciones19

El espectro de respuesta elástico de aceleraciones expresado como

fracción de la aceleración de la gravedad Sa, para el nivel del sismo de

diseño, se proporciona en la Figura 4.22, consistente con el factor de zona

sísmica Z, el tipo de suelo del sitio de emplazamiento de la estructura y

considerando los valores de los coeficiente de amplificación o de

amplificación de suelo de las Tablas 2.5, 2.6 y 2.7.de la NEC-11.

Fig. 4.22 Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el sismo de

diseño

Dicho espectro, que obedece a una fracción de amortiguamiento respecto

al crítico de 0.05, se obtiene mediante las siguientes ecuaciones, válidas

para periodos de vibración estructural T pertenecientes a 2 rangos:

Donde r=1, para tipo de suelo A, B o C y r=1.5, para tipo de suelo D o E.

Asimismo, de los análisis de las ordenadas de los espectros de peligro

uniforme en roca para el 10% de probabilidad de excedencia en 50 años

(Periodo de retorno 475 años), que se obtienen a partir de los valores de

19 Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11 (PELIGRO SÍSMICO Y REQUISITOS DE DISEÑO SISMO RESISTENTES)

123

aceleraciones espectrales proporcionados por las curvas de peligro sísmico

de la sección 2.5.3 de la NEC-11 y, normalizándolos para la aceleración

máxima en el terreno, Z, se definieron los valores de la relación de

amplificación espectral, (Sa/Z, en roca), que varían dependiendo de la

región del Ecuador, adoptando los siguientes valores:

= 1.8 (Provincias de la Costa, excepto Esmeraldas), 2.48 (Provincias de

la Sierra, Esmeraldas y Galápagos), 2.6 (Provincias del Oriente).

4.3.6.2 Espectro Inelástico 20

Al realizar el análisis sísmico con el espectro elástico de la NEC-11 se

espera que la estructura no sufra daño. Por lo tanto, todo el tiempo trabajará

en el rango elástico pero esto no es adecuado ya que el espectro de la

NEC-11 tiene un período de retorno de 475 años es decir la probabilidad

de que se registre durante la vida útil de la estructura es muy baja. Sería

muy costoso diseñar una estructura con el espectro elástico, además de

ello los elementos estructurales que resultan serían de grandes

dimensiones.

Por consiguiente se diseña las estructuras considerando un espectro

inelástico el mismo que se obtiene dividiendo las ordenadas del espectro

elástico para R*Φp*Φe como lo ilustra la figura 4.23. Donde Res el factor de

reducción de las fuerzas sísmicas debido a comportamiento inelástico de

la estructura; este factor se define en forma muy general en las diferentes

normativas sísmicas y más responde a criterios cualitativos emitidos por

expertos, que a criterios cuantitativos, razón por la cual se dedicará todo un

apartado para su estudio en este capítulo. Φp y Φe son factores con los que

se pretende penalizar las irregularidades tanto en planta como en

elevación.

20ANÁLISIS SÍSMICO DE EDIFICIOS-ROBERTO AGUIAR FALCONI CEINCI-ESPE

124

Se puede realizar una hoja de calculo en excel para poder ayudarse en la

esquematizacion del espectro sísmico elástico e inelástico de

aceleraciones que representa el sismo de diseño

125

Fig. 4.23 Espectro sísmico elástico e inelástico de aceleraciones que representa el

sismo de diseño

126

Fig. 4.24 Espectro sísmico inelástico de aceleraciones que representa el sismo de

diseño importado desde el Excel al programa ETABS

127

4.3.7 Análisis del modelo

4.3.7.1 Requisitos para los modelos estructurales y sus Análisis

Factores de reducción y factor de amplificación

Para el diseño estructural de los elementos metálicos de la superestructura,

se utilizaron los coeficientes del reglamento AISC-LRFD-99, como se

menciona a continuación:

VALOR DE Φ MIEMBRO

0.90

0.90

0.85

0.75

Sección total en tracción

Miembros en flexión

Miembros en compresión axial

Cortante y torsión

Rigidez de cada piso

Se asumirá en el análisis que cada piso es infinitamente rígido, es decir;

todos los nudos se desplazan la misma cantidad, para ello se aplicó en el

programa de elementos finitos.

Es por esto que se crea un diagrama diferente por cada piso del edifico

para de manera simultánea asignar a cada nivel.

El programa Etabs da la siguiente opción:

Fig. 4.25 Creación de diafragmas para cada nivel del edificio

128

Fig. 4.26 Diafragma de entrepiso asignado

En esta asignación hay que considerar en la asignación de masas un

100%de la carga muerta y el 25%de la carga viva.

Fig. 4.27 Asignación de fuente de masas por sus cargas

129

4.3.7.2 Detalles de análisis

Se utilizo combinaciones de cargas utilizando el diseño por resistencia. Las

estructuras, componentes y cimentaciones deberán ser diseñadas de tal

manera que la resistencia de diseño iguale o exceda los efectos de las

cargas incrementadas, de acuerdo a las combinaciones siguientes

combinaciones básicas.

1. 1.4D

2. 1.2D+1.6L+0.5(Lr o S o R)

3. 1.2D+1E+L+0.2S

4. 0.90D+1E

4.3.7.3 Verificación geométrica del modelo.

Se ha establecido un diseño óptimo de secciones puesto que se ha tenido

un buen prediseño en la parte preliminar, del grafico se dice que las

secciones son adecuadas para las solicitaciones verticales y laterales.

Fig. 4.28 Vista general del diseño de los elementos en forma optima

130

Fig. 4.29 Pórtico eje 27 sentido Y (resultado óptimo del diseño de vigas y columnas

principales)

Fig. 4.30 Pórtico eje HH sentido X (resultado óptimo del diseño de vigas y

columnas principales)

131

Fig. 4.31 Planta Nv+3.96m (diseño de vigas secundarias donde se apoya la placa

colaborante “Steel deck”)

4.3.7.4 Derivas de piso.21

Es ampliamente reconocido que el daño estructural se correlaciona mejor

con el desplazamiento que con la resistencia lateral desarrollada.

Excesivas deformaciones han ocasionado ingentes pérdidas por daños a

elementos estructurales y no estructurales. El diseñador debe comprobar

que su estructura presentara deformaciones inelásticas controlables,

mejorando substancialmente el diseño conceptual. Por lo tanto, los límites

a las derivas de entrepiso inelásticas máximas, ΔM, se presentan en la

Tabla 2.8.NEC-11, los cuales deben satisfacerse en todas las columnas del

edificio.

21Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11 (PELIGRO SÍSMICO Y REQUISITOS DE DISEÑO SISMO RESISTENTES)

132

TABLA 2.8.NEC-11. Valores de M máximos, expresados como fracción de la altura

de piso

Límites de la deriva. El valor de la deriva máxima inelástica M de cada piso

debe calcularse mediante:

Donde:

R= factor de reducción de resistencia.

M = no puede superar los valores establecidos en la Tabla 2.8.NEC-11.

Fig. 4.32 Derivas producidas por el sismo en sentido X, están dentro del margen

las derivas son menores al 0.007

133

Fig. 4.33 Derivas producidas por el sismo en sentido Y, están dentro del margen

las derivas son menores al 0.007

Fig. 4.34 Visualización del diagrama de derivas máximas por piso

134

Fig. 4.35 Cuadro de derivas producidas por el sismo en X y sismo en Y

Se puede demostrar que las derivas están dentro de lo establecido en la

normativa del NEC-11.

Tomamos la deriva elástica máxima teniendo como ejemplo 0.004954 del

piso 3 producida por el espectro X

El valor de la deriva máxima inelástica es igual , teniendo

así un valor de:

ΔM=0.75x6x0.004954

ΔM=0.02 esto es igual al 2% establecido en la normativa; por lo tanto el

diseño es considerado como aceptable dado que los resultados son los

adecuados.

135

Fig. 4.36 Visualización grafica de los máximos desplazamientos en cada piso por

efecto de las fuerza laterales

Fig. 4.37 Visualización gráfica del Cortante Dinámico en todos los pisos

136

Fig. 4.38 Visualización del peso del edificio

Fig. 4.39 Cuadro del cortante Dinámico en cada piso resultante de los efectos

sísmicos en X e Y

137

4.3.7.5 Periodos y modos de vibración.

En la figura 4.41podemos apreciar que el período fundamental de la

estructura corresponde a 1.0334seg, lo que todavía corresponde a una

estructura rígida, de la participación modal observamos que el modo

primero ocurre en X, debido a que Ux es mayor que Uy y Rz. El segundo

período más importante es de 1.01619seg y tiene mayor participación en

Y; finalmente el tercer período es de 0.8836seg y tiene una mayor

participación modal en Z, lo que indica que es un modo torsional. En las

figuras 4.40 se muestran el primer, segundo y tercer modo

respectivamente.

Fig. 4.40 Visualización de los 3 primeros periodos de vibración

Fig. 4.41 Cuadro periodos de vibración del edificio

138

Fig. 4.42 Visualización de los periodos de vibración dentro del espectro de

aceleraciones

Así podemos concluir que los dos primeros periodos de vibración son

traslacionales en X e Y, y el tercero es rotacional en Z. A demás el lugar

donde se encuentran los periodos de vibración en el espectro de

aceleraciones indica que la estructura está en la zona donde el edifico

mantiene un buen comportamiento estructural dentro de una eventualidad

sísmica comprobando que si se cumplen todos los parámetros sismo

resistentes de la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-11).

139

CAPÍTULO V

5. AISLAMIENTO BASAL DE LA ESTRUCTURA

5.1 Comportamiento del Sistema Aislado

Las fuerzas sísmicas se reducirán debido a que se flexibiliza la estructura.

Se puede apreciar con facilidad esta propiedad, pues la inclusión de los

aisladores permite modificar el periodo de vibración. En la figura 5.1 se

muestra por qué, cuando la estructura se vuelve más flexible, la aceleración

espectral en el edificio disminuye y también las fuerzas sísmicas sobre la

estructura.

Otra característica a resaltar en una estructura aislada es que los

desplazamientos se incrementan debido a que la base es menos rígida. Es

indispensable controlar este parámetro pues excesivos desplazamientos

relativos de entrepiso ocasionan daños en elementos estructurales y no

estructurales, así, en algunos casos, para optimizar el funcionamiento de

los aisladores, se utiliza un sistema conjunto con disipadores. En la misma

figura se observa también, que el incremento del amortiguamiento permite

limitar este desplazamiento.

Fig. 5.1 Efecto de la aislación en el comportamiento dinámico

5.2 Consideraciones Generales para el Diseño

El diseño convencional de las estructuras en nuestro medio se basa en

añadir rigidez y resistencia en las direcciones principales con el fin de

dificultar el ingreso a la zona inelástica y controlar desplazamientos

excesivos durante los eventos sísmicos; es por ello que comúnmente se

140

utilizan diafragmas adecuadamente distribuidas en toda la planta del

edificio. El incremento de resistencia va permitir que la estructura sea capaz

de tomar mayores fuerzas y se van a necesitar elementos estructurales

capaces de resistir dichas fuerzas.

Un enfoque distinto se le da a las estructuras sísmicamente aisladas pues

la transmisión de las fuerzas se reduce sustancialmente y ya no es

necesario el uso de elementos estructurales con una gran capacidad de

resistencia ni tampoco de una elevada rigidez como en el diseño

convencional. En este caso, el parámetro a controlar es el gran

desplazamiento que se da en el sistema de aislación.

Este desplazamiento del sistema de aisladores es la base para el

procedimiento de diseño pues los parámetros estructurales como el

amortiguamiento equivalente (resultado del incremento que se da en el

amortiguamiento estructural por la adición de la del sistema de aislamiento)

y el periodo efectivo dependen de esta variable.

En la figura 5.2se muestra cómo influye el desplazamiento del sistema de

aislación en los dos parámetros de diseño mencionados. Sin embargo,

deberá encontrarse un balance entre la flexibilización de la estructura y la

disminución del amortiguamiento equivalente debido al incremento de los

desplazamientos en la interfase de aislación.

Entonces, se puede afirmar que el procedimiento será iterativo y el objetivo

en el diseño será optimizar el desempeño de la estructura.

141

Fig. 5.2 Relación entre periodo, amortiguamiento y desplazamiento

5.3 Consideraciones generales para el análisis y diseño con

aisladores sísmicos

Existen una serie de consideraciones que deberán tomarse en cuenta en

el procedimiento de análisis y diseño al utilizar aisladores:

A nivel del sistema de aislamiento

Capacidad de carga: Parámetro muy importante pues tiene un valor

máximo para cada aislador de acuerdo con lo establecido en las

especificaciones técnicas de estos elementos. Por ello, será necesario

repartir uniformemente toda la carga del edificio para impedir que algún

aislador se encuentre sobrecargado.

Uniformar desplazamientos: La opción de flexibilizar a la estructura no

podría ser ejecutada si es que existiesen desplazamientos diferenciales

horizontales en ambas direcciones a nivel del sistema de aisladores, por lo

que se deberá garantizar un diafragma rígido a nivel de la interfase de

aislación.

Efectos de torsión: Habrá que evaluar la separación entre el centro de

masas y el centro de rigidez del sistema de aislamiento dado que si es que

142

presentasen efectos de torsión en este nivel, existirá una mayor

participación en el movimiento de los aisladores en la dirección

perpendicular a la del análisis; y de esta forma el objetivo de independizar

el movimiento en cada dirección se ve reducida.

Tracción en los aisladores: Los aisladores poseen una resistencia a

tracción que es del orden del 10 – 15% de la de compresión, por eso este

parámetro tendrá que ser evaluado constantemente. Valores fuera de este

rango modifican las propiedades de los aisladores y en casos extremos

pueden llegar a dañarse.

Deformaciones verticales: Estas también se deberán tener en cuenta, ya

que podrían generar deformaciones diferenciales entre los distintos

elementos de la superestructura.

A nivel de la estructura

Efectos de segundo orden P-Δ: Los desplazamientos en la interfase de

aislación pueden generar una excentricidad de la carga que resulta en

momentos adicionales que deben ser tomados por la estructura.

Juntas de separación: El desplazamiento de diseño debe contemplar este

parámetro. Puede ser alrededor de 50 cm.

La vida de los aisladores: Como esta tecnología es nueva, no se tiene

mucha información real sobre los cambios mecánicos que ocurren en los

aisladores a lo largo del tiempo. En todo caso, deben instalarse de manera

que pudieran ser intercambiados en un futuro.

Cimentación: El desplazamiento de los aisladores puede producir

momentos (P-Δ) elevados que deben ser tomados por la cimentación.

143

Factor de sitio: Se debe conocer el comportamiento del suelo para

seleccionar la combinación aisladores - estructura más apropiada.

En edificaciones de poca carga, es posible repartir la carga sobre los

aisladores si es que se utiliza un sistema de losas y vigas entre la estructura

y el nivel del sistema de aisladores donde las cargas provenientes de la

estructura se reparten uniformemente sobre la losa y luego estas se

transfieren por medio de las vigas a cada uno de los aisladores, ubicados

debajo de cada intersección de la cuadricula que forman las vigas.

La importancia de este sistema también radica en el hecho de que se

uniformizan los desplazamientos. Además, es necesario evaluar en este

sistema la separación entre el centro de masa y el de rigidez para evitar

que efectos de torsión generen esfuerzos excesivos en los aisladores.

5.4 Algunas consideraciones preliminares para el diseño

Los parámetros a considerar en el diseño se pueden incluir en un análisis

estático o uno dinámico.

El análisis estático es muy restringido pues para su utilización existen

muchas condiciones que limitan su aplicación en todas las estructuras; en

cambio, el análisis dinámico puede ser realizado en cualquier estructura.

5.4.1 Norma Técnica

En este acápite se desea hacer una breve descripción del método y las

recomendaciones presentadas por la norma técnica FEMA, que son

representativas.

144

Federal Emergency Management Agency (FEMA)

La guía del FEMA propone dos métodos para el análisis y diseño de

estructuras aisladas:

El primero es un método estático denominado “procedimiento de la

fuerza lateral equivalente” y está basado en el desplazamiento de un

sistema de un grado de libertad con una rigidez efectiva como

aquella que ofrece el sistema de aislación para el desplazamiento

en cuestión.

El segundo es un método dinámico, subdividido en uno que involucra

un espectro y otro que compromete un análisis tiempo-historia.

El método estático no está recomendado para un diseño final, sólo es para

un diseño preliminar y el método dinámico por combinación espectral sólo

para algunas estructuras regulares rígidas y de pocos pisos. El análisis

tiempo-historia es el recomendado en la mayoría de los casos e involucra

un mínimo de tres pares (en ambas direcciones) de historias reales

escaladas a valores específicos.

5.4.1.1 Método de la Fuerza Lateral Equivalente

Un sistema de aislamiento sísmico debe ser diseñado y construido para

resistir el mínimo desplazamiento lateral de diseño, Dd que se obtiene con

la expresión:

(Ec. 5.1)

(Ec. 5.1) Desplazamiento Lateral de diseño

Donde:

g = Aceleración de la gravedad.

Sd1= Aceleración espectral de diseño con 5% de amortiguamiento para un

periodo de 1 segundo.

145

Td= Periodo efectivo impuesto por los aisladores al edificio para el

desplazamiento de diseño.

Bd= Coeficiente de corrección para el amortiguamiento efectivo del sistema

correspondiente a Dd.

El factor Sd1es equivalente Sa del producto de los coeficientes Fa de la

Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11. En cuanto al valor de Td,

se calcula con la ecuación:

(Ec. 5.2)

(Ec. 5.2) Periodo efectivo propuesto por los aisladores

Donde:

W= Peso de la superestructura, resultado de la suma total de las cargas

muertas y un porcentaje de las cargas vivas.

Kdmín=Rigidez efectiva mínima del sistema de aislamiento para el

desplazamiento Dd.

Bd se obtiene directamente, o por interpolación lineal, de la Tabla 5.1.

Tabla 5.1 Coeficiente de amortiguamiento Bd.

146

Luego, la mínima fuerza cortante en la base del edificio empleada para el

diseño de su cimentación y que el conjunto de aisladores sísmicos debe

resistir es:

(Ec. 5.3)

(Ec. 5.3) Mínima fuerza cortante en la base del edificio

Donde:

Kdmáx= Rigidez efectiva máxima para Dd Se considera en el caso más crítico

como 1,3 veces Kdmín.

Asimismo, la mínima fuerza cortante usada para el diseño de los elementos

que se encuentren por encima del sistema de aislamiento es:

(Ec. 5.4)

(Ec. 5.4) Mínima fuerza cortante usada para elementos por encima del sistema de aislamiento

Donde:

R = Factor de reducción, que se toma como 3/8 del R para el edificio con

base fija. R debe ser menor o igual a 2, lo que refleja la escasa necesidad

de ductilidad en la superestructura, ya que la disipación de energía estará

a cargo de los aisladores sísmicos. Cabe resaltar que en la Ec. 5.3, el

coeficiente R está implícito con un valor igual a 1, puesto que estos

dispositivos deben ser capaces de soportar los desplazamientos y las

fuerzas sísmicas máximas. En cuanto a Vs, ésta se reparte en la altura del

edificio aislado de forma análoga como si estuviera fijo en el suelo.

La norma tratada también determina otros desplazamientos adicionales al

Dd, de los cuales se hará referencia a dos: Dm, que es el máximo

desplazamiento, y Dtm, que es máximo desplazamiento total, que no debe

ser inferior a 1,1 veces Dm.

147

Entonces:

(Ec. 5.5)

(Ec. 5.5) Desplazamiento máximo aislador

Donde:

Sm1= Aceleración espectral del máximo sismo considerado (MCE) con 5%

de amortiguamiento para un periodo de 1s. Su valor es 1,5 Sd1.

Tm= Periodo efectivo del edificio con aisladores para Dm.

Bm= Corrección del amortiguamiento efectivo del sistema de aislamiento

para Dm.

Y:

(Ec. 5.6)

(Ec. 5.6) Desplazamiento máximo total

Donde:

y= Distancia entre el centro de rigidez del sistema de aislamiento y el

aislador más alejado, medida en la dirección perpendicular a la del sismo.

e= Excentricidad real sumada a la accidental entre el centro de masa del

edificio y el centro de rigidez del conjunto de aisladores, también medida

perpendicularmente a la dirección en que actúa el sismo.

b= Dimensión menor en planta de la edificación.

d= Dimensión mayor en planta de ésta.

El desplazamiento Dtm, pese a que no aparece en las Ec. (5.3) y (5.4), es

fundamental puesto que los aisladores sísmicos se diseñan para resistirlo,

ya que se tiene la convicción que no basta que soporten Dd si ocurren

grandes terremotos como el MCE, cuya probabilidad de ser excedido en 50

años es 2%.

148

5.4.1.2 Métodos Dinámicos

Combinación Espectral

Las únicas sugerencias especiales del FEMA para este método se refieren

al correcto modelamiento y atención a los siguientes puntos:

Modelar la distribución de los aisladores,

Considerar los efectos de excentricidad accidental,

Verificar que no exista tracción, o que los aisladores no estén

resistiendo tracción en el modelo,

Verificar los efectos P-Δ,

Modelar la posible variabilidad en las propiedades de los aisladores

(por envejecimiento o uso).

Además, la combinación deberá realizarse con 100% del espectro en una

dirección y 30% en la otra al mismo tiempo. El amortiguamiento no podrá

ser nunca mayor al 30% del crítico y las fuerzas obtenidas deberán respetar

un porcentaje mínimo de aquellas obtenidas con el método estático.

Tabla 5.2 Criterios mínimos para el análisis dinámico

FUENTE: FEMA

Nótese que para un diseño con sistema de aislación, el FEMA también

contempla un desplazamiento debido al evento máximo creíble DTM.

149

Análisis Tiempo-Historia

No presenta recomendaciones adicionales más que utilizar siete pares de

historias reales escaladas y certificadas (existe una base de datos de

historias que se pueden utilizar) y un mínimo de tres pares. Al igual que el

método del espectro, el análisis deberá realizarse 100% en una dirección y

30% en la otra en simultáneo.

Este método es el recomendado en todas las situaciones. El FEMA

presenta una metodología muy sencilla y bastante similar al método

estático provisto por la norma peruana para estructuras convencionales,

aunque como era de esperarse, este no puede ser usado para un diseño

definitivo, para lo que será necesario un modelo.

Los requerimientos del modelo tampoco presentan serias novedades frente

a lo ya mencionado en los capítulos anteriores.

5.5 Análisis del Modelo de Estructura Aislada

Con el fin de evaluar el desempeño de la estructura aislada se analiza el

edificio del Hospital Regional Docente Ambato “Bloque E” y se hacen

comparaciones entre los comportamientos del sistema convencional

empotrado en la base y el sistema aislado. Esta comparación se realiza con

los resultados obtenidos a nivel de desplazamientos, fuerzas y modos de

vibración.

5.5.1 Criterios para la elección de estructuras

Se buscó modelar una edificación que dentro de los requerimientos de

mayor importancia en nuestro medio sean las edificaciones peligrosas y/o

esenciales en las que indican que los hospitales son unos de ellos, por lo

que en este caso se toma como referencia al Hospital Regional Docente

Ambato “BLOQUE E”, buscando que dentro de una eventualidad sísmica

deba mantenerse en operatividad, tanto en equipamiento como en

servicios.

150

Este edificio está conformado por un sistema aporticado no arriostrado de

estructura de acero, el cual tiene una altura de 30.72m la cual está formada

por 7 losas de entrepiso de 3.96m y una losa de cubierta o tapa gradas de

3.00m, al edifico se le puede considerar por su altura como un edificio de

altura mediana.

También, este edifico no presenta ninguna peculiaridad como las

irregularidades en altura (piso blando, discontinuidad de los sistemas

resistentes, etc.) o las irregularidades en planta (esquinas entrantes,

discontinuidad en los diafragmas, etc.) para que se valore su influencia en

el sistema aislado.

Como se quiere evaluar la influencia del sistema de aislamiento de una

edificación con un rango grande de importancia como las que se construyen

en nuestro medio, este edificio examinado existe y no es un modelo

idealizado. En la tabla 5.3se muestran las características del edificio

analizado.

Tabla 5.3 Características del edificio analizado

Edificio

Sistema

Estructural

Área

por

planta

(m2)

Altura

Pisos

Tipos

de

pisos

h(m)

Clasificación

HOSPITAL

REGIONAL

DOCENTE

AMBATO

“BLOQUE E”

Pórticos

estructura de

Acero

980.28

7 y 1

Tapa

grada

7 de

3.96m, y

1 de

3.00m

27.72

MEDIANO

151

5.6 Consideraciones y criterios de modelamiento.

En la etapa del modelamiento se controlan los parámetros de capacidad de

carga, rigidez lateral y los desplazamientos máximos que se van a

desarrollar en los aisladores.

5.6.1 Capacidad de carga y tracción

El peso del edificio define la cantidad y tipo de aisladores a utilizar de tal

forma que no se exceda la capacidad de carga de cada aislador. Este

análisis es sólo preliminar dado que existirán diferencias entre las cargas

permanentes y cuando ocurren los sismos.

Ante un evento sísmico, los momentos generados van a esforzar

verticalmente a unos aisladores más que otros; es por ello que también se

hace un control de la capacidad de carga cuando se utiliza una combinación

que incluya el sismo y las cargas muerta y viva amplificadas por 1.25. Esta

se ha tomado como la combinación que otorga valores máximos de carga

en la mayoría de los aisladores.

Cuando un lado se sobrecarga más existe la tendencia de que en el otro

lado algunos aisladores no trabajen a compresión y se encuentren en

tracción. Este parámetro se controla con una combinación del sismo más

el peso del edificio que trata de estabilizar el momento volcante producido.

5.6.2 Rigidez lateral y desplazamiento máximo

En el modelo se busca compensar la rigidez de ambos lados para que

puedan recibir una cantidad similar de fuerza lateral y también para

controlar que no haya efectos de torsión en el sistema de aislamiento, en

donde la región menos rígida rotaría alrededor de la otra; este efecto es

desfavorable pues dificulta la posibilidad de flexibilizar a la estructura.

Para controlar este parámetro en el modelo se busca equilibrar la rigidez

de los bordes equidistantes al centro de rigidez del sistema de aislamiento.

152

Los desplazamientos dependerán de la rigidez del sistema de aislación y

deberán tenerse en cuenta. Estos desplazamientos se deberán calcular

inicialmente (ver 5.7) y verificar con un análisis dinámico.

5.6.3 Diafragma rígido

Con la finalidad de que todo el sistema se mueva como un solo elemento

se utiliza un diafragma rígido que se logra mediante el uso de un sistema

de losas o vigas con rigidizadores diagonales.

En el modelo se utiliza una losa que permite amarrar a las columnas para

que existan momentos en su base; y vigas capaces de resistir las cargas

últimas para que puedan transmitirlas hacia los aisladores.

El criterio que se sigue para la disposición de la losa y vigas es crear un

enmallado de tal forma que los aisladores se encuentren ubicados debajo

de cada punto de intersección de la malla; para ello también se debe

controlar las dos consideraciones anteriores.

Para que se logre el comportamiento de diafragma rígido de la losa, en el

modelo se le asigna una gran rigidez a la deformación ante cargas

contenidas en su plano.

Por último, la interfase de aislación se ubica en la base del primer nivel; por

lo tanto, la presencia de los subsuelos no influye significativamente en su

comportamiento (los sub suelos se mueven con el terreno y así no hay

amplificación sísmica).

153

5.7 Procedimientos de Diseño de los Aisladores

5.7.1 Consideraciones Iniciales

Para dimensionar los aisladores se considera el Sismo Máximo

Creíble (MCE) o sismo que tiene el 2% de probabilidad de ser

excedido en 50 años. Por lo tanto, el factor Z (MCE) = 1.5x0.4g=0.6g

(Zona IV).

Para diseñar la superestructura se considera el Sismo de Diseño

(DBE) o sismo que tiene el 10% de probabilidad de ser excedido en

50 años. Por lo tanto, el factor Z (MCE) = 0.4g.

Se asume inicialmente que el periodo de la estructura aislada en el

máximo desplazamiento es igual a 2.5 ó 3 veces el periodo de la

estructura empotrada.

Se considera un amortiguamiento efectivo para el máximo

desplazamiento igual a 15%.

5.7.2 Procedimiento para diseño de aisladores elastoméricos con

núcleo de plomo (LRB)

Este procedimiento se basa en que el comportamiento de un aislador de

este tipo se modela como un elemento histerético bilineal, tal como lo

muestra la Figura.5.3.

Fig. 5.3 Modelo usado para representar el comportamiento de los aisladores LRB

154

El proceso de diseño es el que se describe a continuación:

1. Cálculo de la aceleración espectral de diseño (SD1(DBE)) y la

aceleración espectral máxima creíble (SM1(MCE)):

Fig. 5.4 Esquema de espectros a considerados en el diseño de aisladores

Se calculan a partir de los factores de zona sísmica (Z), amplificación

espectral (η), factores de sitio (Fa), y la relación del periodo de vibración

(Tc) con el periodo fundamental (T):

Donde r=1, para tipo de suelo A, B o C

SM1(MCE) y SD1(DBE) corresponde a la ecuación de (Sa) con el respectivo

valor de Z.

(Ec. 5.7)

(Ec. 5.7) Aceleración

𝑆𝐷1(𝐷𝐵𝐸) = 𝜂𝑍𝐷𝐵𝐸𝐹𝑎 (𝑇𝑐

𝑇)

𝑟

(Ec. 5.8)

(Ec. 5.8) Aceleración espectral de diseño (Sismo de Diseño)

ZDBE=0.4g

SD1(DBE)=0.897

𝑆𝑀1(𝑀𝐶𝐸) = 𝜂𝑍𝑀𝐶𝐸𝐹𝑎 (𝑇𝑐

𝑇)

𝑟

(Ec. 5.9)

(Ec. 5.9) Aceleración espectral de diseño (Sismo máximo de Diseño)

ZMCE=0.6g

155

SM1(MCE)= 1.345

En el caso de las estructuras aisladas el factor de uso será 1.0, dado que

al dimensionar los aisladores no se utiliza un factor de reducción R. Para el

análisis de la superestructura sí se deberá utilizar las combinaciones de R

y U adecuadas. Si se desea considerar la importancia de la estructura

deberá modificarse la aceleración espectral de acuerdo con el tiempo de

exposición y con el periodo de retorno del evento considerado. El

coeficiente de amplificación sísmica deberá ser también igual a 1.0, debido

a que para los periodos propios de la aislación, no existe amplificación de

la aceleración máxima.

2. Cálculo del desplazamiento máximo y desplazamiento máximo total:

El desplazamiento máximo del sistema de aislamiento se obtiene a partir

de la aceleración espectral máxima creíble, el periodo de la estructura

aislada en el máximo desplazamiento (TM) y el coeficiente referido al

amortiguamiento efectivo en el máximo desplazamiento (BM). Este último

coeficiente se obtiene de la tabla de 13.3-1 del FEMA mostrada en la tabla

5.4.

Tabla 5.4 Valor numérico relacionado con el amortiguamiento efectivo

(Ec. 5.5)

Tm=2.5

156

Bm=1.35

Dm=0.618m= 618mm

El desplazamiento máximo total del sistema de aislamiento se obtiene a

partir del desplazamiento máximo (DM), las dimensiones en planta de la

estructura (b y d), la distancia hacia al aislador más alejado (y) y la

excentricidad accidental (e). Esta última se obtiene como el 5% de la

dimensión más grande de la planta.

(Ec. 5.6)

y=10.80m

e=0.20m

b=21.60m

d= 44.00m

Dtm=0.625m= 625mm

3. Dimensionamiento de los aisladores:

El dimensionamiento se hace a partir del desplazamiento máximo total de

los aisladores y la capacidad de carga máxima. Se escoge la más crítica.

La carga máxima en cada aislador es la que se obtiene a partir de la

combinación“1.25CM+1.25CV+CS”. También, por experiencia de

diseñadores y calculistas, se puede considerar inicialmente que la “CS” es

el 30% de la “CM” y así usar la combinación “1.55CM + 1.25CV”. El esfuerzo

axial permisible debe ser especificado en las características del aislador

ose toma como valor referencial en 815 ton/m2.

Opción 1:

(Ec. 5.10)

(Ec. 5.10) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 1

157

Di=0.94m

Di=940mm

Opción 2:

(Ec. 5.11)

(Ec. 5.11) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 2

Pumax= Carga máxima que soporta el aislador central más crítico, utilizando

la combinación de carga 1.55CM+1.25CV, dado que al momento de

prediseño no se tiene la valoración del sismo aun.

Pumax=589.06 ton

σmax perm=815 t/m2

Di=0.96m

Di=960mm

Una vez dimensionado, se escogen algunos tipos de aisladores en el

catálogo del fabricante de acuerdo con la similitud del diámetro del aislador

disponible (Di).

De acuerdo a nuestros países vecinos Perú, Colombia y Chile entre otros

la construcción de edificios con aisladores sísmicos los realizan bajo la

importación de productos de EE.UU. o Chile que se proveen de aisladores

presentes en su propio mercado como son los productos de su fabricante

VULCO y por otro lado los fabricantes de DIS (DYNAMIC ISOLATION

SYSTEM) en EE.UU. que son los que abastecen al resto de países que

confían en este producto.

Para este proyecto se tomara en cuenta la gran trayectoria de los productos

DIS en el mundo, sin antes mencionar la gran acogida que en Chile los

productos de VULCO están teniendo en estos últimos años, ya que se ha

puesto en evidencia el buen comportamiento de sus productos ante los

sismos producidos en el 2010.

158

Para este caso en particular se tomaran en cuenta los productos de DIS22

(DYNAMIC ISOLATION SYSTEM), que bajo la línea de su catálogo nos

muestra todas las características físicas y mecánicas de su producto al

servicio del cliente.

Tabla 5.5 Características físicas y mecánicas de los aisladores DIS

22www.dis-inc.com

http://www.dis-inc.com/

159

4. Cálculo del diámetro de núcleo de plomo:

Con la carga “W” que recibe cada aislador según condiciones de servicio

(CM+0.25CV), se verifica que la relación Qd/W se encuentre en el rango de

(3% a10%).

Qd es la fuerza histerética y es utilizado para el control de la amortiguación

y la rigidez efectiva del sistema de aislamiento.

El diámetro del núcleo de plomo se calcula a partir de la relación entre la

fuerza de fluencia y el esfuerzo axial permisible en el núcleo de plomo (1020

ton/m2). La fuerza de fluencia es 10% mayor que la fuerza histerética.

Entonces, el diámetro del núcleo de plomo se calcula:

(Ec. 5.12)

(Ec. 5.12) Diámetro del núcleo de plomo del aislador

Qd=7%

Qd= 24.36 ton

σy=1020 t/m2

Dl=0.18m

Dl=180mm

5. Cálculo de la altura del aislador:

Se calcula a partir del desplazamiento máximo total y la deformación de

corte de diseño. Esta última es equivalente a 250% según

recomendaciones de los fabricantes. Para el diseño se toma el 150%.

(Ec. 5.13)

(Ec. 5.13) Altura del aislador

Hl=0.42m

Hl=420mm

160

6. Cálculo de Kd ó k2:

Esta es la rigidez secundaria o rigidez de recuperación la cual depende del

área neta de caucho, la altura del aislador y el módulo de corte, el cual está

comprendido entre 38 y 71 ton/m2.

(Ec. 5.14)

(Ec. 5.14) Calculo rigidez secundaria o rigidez de recuperación

G=70.00 t/m2

Kd=111.66 t/m

7. Cálculo de la rigidez efectiva y el amortiguamiento efectivo:

La rigidez efectiva y el amortiguamiento efectivo se calculan a partir:

(Ec. 5.15)

(Ec. 5.15) Rigidez efectiva

keff= 150.65t/m

(Ec. 5.16)

(Ec. 5.16) Amortiguamiento efectivo

βeff=15.69%

Igual a la estimada, por lo que se estima que se tiene un buen prediseño

que nos facilitara seleccionar el aislador adecuado.

Cuando el βeff es diferente al estimado βm. El procedimiento iterativo se

empieza a partir de la relación Qd/W en donde se le asigna un valor entre

el rango recomendado y a partir de este se determinan los diámetros de

plomo y los parámetros de amortiguamiento y rigidez efectiva.

161

El prediseño termina cuando se han seleccionado los aisladores con

características similares a las calculadas por medio de las fórmulas, donde

los desplazamientos, periodos, amortiguamiento y capacidad de carga son

los adecuados.

Para la realización del análisis no lineal en el programa ETABS, es

necesario introducir, aparte de la rigidez lateral Kmmín, el dato de la rigidez

vertical Kv de cada aislador. Ésta se calcula con la siguiente fórmula:

(Ec. 5.17)

(Ec. 5.17) Rigidez Vertical

Donde:

A = Área transversal del aislador.

Ec= Módulo de elasticidad del conjunto de las láminas de caucho y acero.

(Ec. 5.18)

(Ec. 5.18) Modulo Elasticidad (Conjunto láminas de caucho y acero)

Donde:

G = Módulo de corte del caucho. Se supone entre 0,38 MPa a 0,70 MPa o

que es lo mismo (38t/m2 a 70t/m2)

S = Factor de forma, que resulta de dividir el diámetro del aislador D entre

cuatro veces el espesor de una lámina de caucho t.

K = Módulo de compresibilidad del caucho, el cual se considera igual a 2000

MPa=200000t/m2.

S=37.86

Ec=150133.188t/m2

A=0.66m2

Kv=239494.28t/m

162

Rigidez elástica (ke)

Ke=10*kd

Ke=116.65t/m

Se entiende entonces que se tiene todos los parámetros de prediseño del

aislador, por lo que se puede presentar un resumen de los valores

calculados.

El sistema consiste en veinte y cuatro aisladores calculados y se ha

uniformizado en un tipo. Esto último con el fin de reducir la torsión sobre un

centro más rígido y de proveer de mayor capacidad a los aisladores que

sufren de tracción (precisamente las cuatro esquinas).

Tabla 5.6 Resumen características físicas y mecánicas del aislador calculado

TIPO A

Di 0.94

Hi 0.42

keff 150.65

βeff 0.16

kelastica 1116.65

fy 33.00

kd/ke 0.10

Pn 589.06

kv 239494.28

Dadas las condiciones de prediseño mediante las especificaciones FEMA,

y de acorde a los parámetros físicos y mecánicos calculados el aislador

escogemos del catálogo de DIS (DYNAMIC ISOLATION SYSTEMS) el

siguiente:

(a)

163

(b)

(c)

Fig. 5.5 Esquemas del aislador elegido del catálogo DIS

5.7.3 Detalle del Modelamiento en Software

Se desea mencionar brevemente el método utilizado para realizar el

análisis no lineal en el programa de modelamiento utilizado (ETABS) con

los aisladores elastoméricos.

Una vez modelada la estructura de la forma convencional se retiran los

apoyos en la base y se colocan vigas de suficiente peralte para unir los

elementos como columnas con adecuada rigidez a momento. Ver figura 5.7

(a) y (b).

Luego se deben definir los elementos tipo “link” e introducir sus

características de acuerdo con lo calculado. En las figuras 5.8a, b, c y d. se

observa cómo se deben ingresar estas propiedades. Los valores en las

164

figuras corresponden al aislador de 950 mm de diámetro, calculado en el

capítulo 5.7.2.

Después, habiendo seleccionado los puntos en la base donde se colocarán

los aisladores, se les asigna el elemento link correspondiente. Finalmente,

se seleccionan todos los puntos en la base y se les asigna un diafragma

rígido.

Fig. 5.6 Panta de asignación de elementos link LRB

(a)

165

(b)

Fig. 5.7 (a) y (b) Vista tridimensional del edificio con aisladores tipo LRB

(a)

166

(b)

(c) (d)

Fig. 5.8 (a) Pantalla de ingreso de propiedades para un aislador, (b) Pantalla de

ingreso de propiedades en la dirección vertical, (c) y (d) pantalla de ingreso de

propiedades en la dirección lateral

167

Fig. 5.9 Vista del edificio en 3D, elevación X-X, elevación Y-Y

168

CAPITULO VI

6. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA AISLADA

En este capítulo se realizará un análisis de la estructura aislada

considerando los parámetros de diseño que se han aplicado en los

capítulos anteriores, dejando en claro que las normativas aplicadas están

acordes a los requerimientos que la Norma Ecuatoriana de la Construcción

NEC-11 establece en su sección 2.10.2. REQUISITOS DE DISEÑO DE

SISTEMAS DE AISLAMIENTO SÍSMICO.

6.1 Análisis Dinámico No Lineal de la Estructura

Los análisis no-lineales paso a paso en el tiempo deberán cumplir con los

principios establecidos por la dinámica estructural, y los acelerogramas a

utilizar deberán cumplir con los mismos requisitos especificados en

2.7.7.7.1 de la NEC-11. Las capacidades y las características de los

elementos estructurales no-lineales deberán modelarse de manera

consistente con datos experimentales o mediante análisis adecuadamente

sustentados. La respuesta máxima inelástica en desplazamientos no

deberá ser reducida y cumplirá con los límites establecidos anteriormente.

Dentro de los parámetros que establece la norma ecuatoriana en su

sección 2.7.7.7.1 Registros de aceleración menciona que:

Los análisis paso a paso en el tiempo deben realizarse utilizando las dos

componentes horizontales de registros de acelerogramas apropiadamente

seleccionados y escalados a partir de los registros de no menos de 3

eventos sísmicos. Cuando no se disponga de al menos 3 eventos sísmicos,

pueden utilizarse acelerogramas apropiadamente simulados para generar

el número de registros y de componentes requeridos. Para cada par de

componentes horizontales de los acelerogramas, debe construirse la raíz

cuadrada de la suma de los cuadrados de los espectros característicos del

sitio, para una fracción del amortiguamiento respecto al crítico de 0.05. Los

acelerogramas deben ser escalados de tal forma que el valor promedio de

169

los espectros provenientes de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados

de los espectros de los registros no se encuentre por debajo del espectro

de aceleraciones amortiguado al 5% del sismo de diseño para periodos

entre 0.2 T y 1.5 T, siendo T el periodo fundamental de la estructura, medido

en segundos. Ambas componentes de los acelerogramas deben aplicarse

simultáneamente al modelo, a fin de considerar efectos torsionales. Los

parámetros de interés deben calcularse para cada paso de tiempo del

registro dato. Si se realizan los análisis para los 3 pares de registros, se

tomaran para el diseño la respuesta máxima de los parámetros de interés.

Si se realizan 7 o más análisis paso a paso en el tiempo, se utilizara para

el diseño el valor promedio de los parámetros de respuesta de interés23.

El compromiso es dar a conocer el comportamiento no lineal de la

estructura pero por la falta de información de registros que nos ayuden a

tener un historial de sismos en el tiempo, me permitió hacer referencia a la

parte teórica, donde a breves rasgos se puede entender cómo funciona el

sistema no lineal del sistema aislado.

El incremento del período fundamental de un edificio lejos del período

predominante de un sismo 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 varios picos espectrales pueden

inducir amplificaciones dinámicas. Por estos motivos se necesitan

elastómeros con alto amortiguamiento los cuales disipen energía (BOZZO,

1996). Un sistema que considerablemente incrementa el amortiguamiento

de las conexiones es el elastómero reforzado con núcleo de plomo Figura

6.1:

23 Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11. Cap. 2.7.7.7.1.

170

Fig. 6.1 Esquema de aislador elastómero reforzado con núcleo de plomo

En lo referente a los modelos dinámicos que representan el

comportamiento no lineal de este dispositivo, existen dos que son

utilizados, pero se tomara en cuenta al que tiene aplicación en el software

de diseño estructural ETABS para representar este tipo de comportamiento

Figura 6.2:

Fig. 6.2 Modelo dinámico No lineal

6.1.1 Modelo Histerético de Wen

El modelo histerético de Wen (BOZZO, 1996; ORDOÑEZ, 1996;

WEN,1976) se utiliza para una representación más precisa de un aislador

de comportamiento no lineal en el cual se descompone la reacción

elastoplástica en una componente directamente proporcional al

desplazamiento y otra dependiente de la variable Z, donde la fuerza de

restauración f :

(Ec. 6.1)

(Ec. 6.1) Fuerza de restauración – Modelo Histerético WEN

171

Donde:

Es un parámetro que indica el grado de no linealidad del

sistema (por ejemplo α= 1 representa un sistema lineal) y Z es un

parámetro histerético que satisface a la ecuación diferencial no lineal de

primer orden (BOZZO, 1996; ORDOÑEZ, 1996; WEN, 1976):

(Ec. 6.2)

(Ec. 6.2) Parámetro Histerético – Ecuación diferencial no lineal

Los parámetros A,α,β,γ, n que aparecen en la Ec. 6.2 son números

adimensionales que regulan cada una de las características del

comportamiento del modelo y que en definitiva, representan los diferentes

tipos de reacciones no lineales (BOZZO, 1996; ORDOÑEZ, 1996;

PELDOZA, 2002; WEN, 1976):

A: Factor de escala general.

α: Razón de proporción entre la fuerza lineal y la fuerza no lineal.

β,γ: Determinan la forma de la curva.

n : Regula la suavidad de la transición entre la región lineal y la no lineal.

La influencia que tienen los parámetros β, γen la variable Z se puede

visualizar al trazar la gráfica de dicha variable versus el desplazamiento,

con una solicitación externa de tipo periódica (sinusoidal a través del

tiempo) que afecta a un oscilador de un grado de libertad, en el cual se

incluye la fuerza restauradora representada por el modelo de Wen.

(ORDOÑEZ, 1996; PELDOZA, 2002).

A modo de ejemplo en la figura 6.3 se puede visualizar el comportamiento

histerético que representan los parámetros β= 0.5 y γ= 0.5.

172

Fig. 6.3 Curva histerética de Z versus X con β = 0.5 y γ = 0.5

Con relación al parámetro n ∈[1,+∞[ este controla la suavidad de las

curvas entre la zona inicial y la de influencia, entre más alto sea el valor

utilizado, más dura es la curva de transición y más cercano a 1 es el valor

de Z, como se observa en la figura 6.3 (ORDÓÑEZ, 1996; WEN, 1976).

Dado lo anterior, para eliminar completamente la porción curva, se entiende

que n → +∞y que esto representa al modelo bilineal, aunque en la práctica

se ha observado que solo es suficiente tomar valores del orden n >20

(COMPUTER AND STRUCTURES .CSI, 1997).

Fig. 6.4 Comportamiento de la variable Z con A = 1, α= 0.6, β=γ= 0.5, y distintos

valores de n

173

Con respecto a los valores más comunes de los parámetros utilizados para

la modelación de aisladores los autores recomiendan A=1 (BOZZO, 1996;

CSl, 1997; ORDÓÑEZ, 1996). En relación a los parámetros βy γ, BOZZO

(1996) propone β= -0.54 y γ= 1.4. Para la mayoría de los autores el valor

más representativo para estimar la curva de transición es n= 1 aunque en

los programas SAP2000 No linear y ETABS No linear se utiliza una variante

bidireccional del modelo, la cual fue propuesta por PARK en (1986) y que

es equivalente a la fórmula de Wen pero con n = 2 (CSI, 1997; PELDOZA,

2002).

Los Programas SAP2000 Nonlinear y ETABS Nonlinear tienen incorporado

el modelo de Wen como elemento no lineal.

Los procedimientos Dinámicos No Lineales implican respuestas

estructurales que son muy sensibles a los parámetros que sirven para

modelar los distintos tipos de comportamiento histerético de los diversos

elementos estructurales, constituidos por los diferentes materiales que se

encuentran disponibles.

Asimismo, son estos procedimientos los que representan mejor el

comportamiento estructural y permiten predecir sus respuestas ante

eventos sísmicos que hacen incursionar a las estructuras en el rango

inelástico y hacen que se comporten no linealmente, con niveles de

incertidumbre aceptables.

6.1.2 Definición de Registros

Los acelerogramas son diagramas que relacionan la magnitud de las

aceleraciones que se van registrando en el suelo con el tiempo transcurrido

desde el inicio del evento.

La práctica común para el análisis en el dominio temporal de estructuras

sometidas a acciones sísmicas utiliza como entrada los registros de sismos

174

cercanos al lugar de interés. No obstante esta información no siempre está

disponible, esto induce a una alta incertidumbre en la respuesta estructural

debido a que tales registros no cubren todos los máximos en la banda de

frecuencias de interés. Así mismo las aceleraciones registradas no suelen

cumplir los rangos de amplitudes y frecuencias establecidos en los códigos

de diseño.

Si bien es cierto el análisis paso a paso en el tiempo de una estructura es

más real que el espectral o el estático, este es muy sensible, es decir, si se

introduce mal un valor los resultados pueden cambiar drásticamente hasta

el punto de ser ilógicos, generando gran incertidumbre en los resultados

obtenidos.

Por lo anteriormente expuesto el presente estudio considerará que la mejor

alternativa para el análisis de la estructura aislada es el espectral (espectro

de respuesta de nuestra estructura) calculado, analizado en el capítulo

4.3.6.2 y dado como opción válida para el análisis de estructuras.

6.2 Resultados Sistema Aislado.

Para mayor estimación de los resultados obtenidos en este proceso de

diseño del sistema de protección sísmica como es la aplicación de

aisladores LBR, en esta sección se dividirá el estudio en partes para tener

un mejor entendimiento de lo que sucede con la superestructura y el

sistema de aisladores aplicado que se estudió en el capítulo anterior y

poder interpretar todos los resultados que este novedoso sistema proyecta

en beneficio de la superestructura.

Dadas estas interpretaciones en este capítulo se podrá finalmente realizar

un análisis comparativo del edificio convencional con el edificio aislado.

175

6.2.1 Criterios de Verificación y Elección del Sistema de Aislación

El objetivo del diseño es presentar de forma práctica las diferencias entre

un diseño convencional y un diseño con sistema aislado. Con este

propósito se buscó una estructura que fuera regular de forma y así no

pueda complicar innecesariamente el diseño.

Además, se eligió una estructura para la cual los beneficios de la aislación

fueran evidentes en la etapa de análisis. Por otro lado, se deseaba que la

estructura fuera de cierta importancia.

Con estas características se eligió uno de los bloques del Hospital Regional

Docente Ambato que recientemente fue intervenido con la ampliación y

remodelación.

El edificio original forma parte de un complejo y está rodeado de otros

bloques. Sin embargo, una estructura aislada requiere de desplazamientos

importantes para funcionar, lo que hace muy difícil la interconexión entre

varios bloques. El diseño convencional prefiere separar plantas

arquitectónicas irregulares en bloques regulares, dado que esto disminuye

la incertidumbre de su comportamiento y mejora la regularidad.

Dentro de las características o parámetros de verificación en una

edificación con un sistema de aislación, se debe confirmar que siempre el

lugar de implantación debe contar con un suelo rígido y no flexible así como

la funcionalidad exterior que necesita el edifico para sus desplazamientos,

considerando que para este tipo de sistemas hay que considerar un margen

de desplazamientos cercanos a los 50cm a 75cm, el periodo de edificación

con sistemas de protección sísmica deben estar alrededor de 2,5seg a 3seg

de acuerdo al valor estimado en el prediseño.

Por otro lado, también facilita el proceso constructivo. Sin embargo, si los

edificios se hubiesen diseñado con aislación en mente, se habría preferido

bloques más grandes de forma que se reduzca la esbeltez. En

176

consecuencia, el diseño se realizará obviando la presencia de los bloques

cercanos y con los cambios estructurales que se detallarán más adelante.

La verificación del comportamiento del aislador se la debe realizar en un

laboratorio especializado para estimar que las propiedades que el

fabricante menciona sean las correctas, esto se debe realizar con el fin de

asegurar que los dispositivos colocados en obra sean los indicados y así

cumplir con una garantía del producto, por enfatizar este tipo de

procedimiento, se mostrara un ensayo de laboratorio aplicado en la

Pontificia Universidad Católica de Chile a los aisladores LBR que nos

demuestra su cumplimiento con la teoría de las curvas histeréticas para los

diferentes niveles de deformación. Ver figura 6.6.

Por todo lo expuesto anteriormente podríamos deducir que el sistema de

aislación más recomendado por su comportamiento ante el fenómeno

sísmico es el aislador elastomérico con núcleo de plomo por las siguientes

razones:

a. Presenta menores desplazamientos reales y relativos de la

superestructura

b. Presenta menores aceleraciones de piso

c. Presenta el menor valor de cortante basal

Fig. 6.5 Verificación del comportamiento del aislador

177

178

Fig. 6.6 Ejemplo: Curvas histeréticas de un aislador LRB, de diámetro exterior 90

cm, diámetro de plomo 15 cm, de 20 capas de goma de 8 mm, analizados para el

proyecto del Hospital Militar - Chile

179

6.2.2 Modos de vibración sistema aislado.

De acuerdo a las condiciones de diseño se debe verificar que el sistema de

aislación cumpla con el periodo deseado de 2,5seg que fue el que se estimó

con anterioridad en el prediseño, para cual en la figuras 6.8 se puede

apreciar de manera clara sus modos de vibración, además para poder

observar que los parámetros se cumplen se tiene los siguientes valores en

la tabla 6.1:

Tabla 6.1 Resultados del análisis modal del Edificio BLOQUE DE

HOSPITALIZACIÓN E con el sistema LRB

Modo Periodo UX UY RZ

1 2.5439 15.1885 83.2067 0.7063

2 2.5433 83.9048 15.1186 0.0760

3 2.2728 0.0057 0.7741 98.4008

4 0.5852 0.0001 0.8183 0.0006

5 0.5839 0.8174 0.0001 0.0000

6 0.5087 0.0000 0.0018 0.7373

7 0.2996 0.0670 0.0000 0.0000

8 0.2974 0.0000 0.0633 0.0024

9 0.2633 0.0000 0.0012 0.0621

10 0.1911 0.0112 0.0000 0.0000

11 0.1899 0.0000 0.0106 0.0000

12 0.1686 0.0000 0.0001 0.0102

13 0.1388 0.0033 0.0000 0.0000

14 0.1386 0.0000 0.0032 0.0000

15 0.1231 0.0000 0.0000 0.0028

16 0.1111 0.0000 0.0012 0.0000

17 0.1100 0.0013 0.0000 0.0000

18 0.0996 0.0000 0.0000 0.0008

19 0.0972 0.0000 0.0003 0.0000

20 0.0948 0.0003 0.0000 0.0000

21 0.0917 0.0000 0.0000 0.0003

En la tabla 6.1 podemos identificar que el período fundamental de la

estructura el 2.5439seg aproximado a 2.50seg que es el período objetivo

considerado, en este caso el primer modo fundamental provoca una

traslación en Y, el segundo período más importante que es de

2.5433segtiene mayor participación de X produciendo de las misma

180

manera un efecto traslacional, y finalmente el tercer periodo de 2.27seg que

tiene una mayor participación modal en Z produciendo un efecto rotacional.

Como se puede observar en la tabla los 3 primeros periodos corresponden

casi a la totalidad de la respuesta estructural del sistema. En la siguiente

fig. 6.8., se muestra el primer, segundo y tercer modo de vibración de la

estructura.

Fig. 6.7 Modos de vibración Edifico Aislado con aplicación del Sistema LRB

6.2.3 Desplazamiento del Sistema de Aislación

Dado que el desplazamiento importante se da en la interfase de aislación,

no es necesario contar con tanta rigidez como en una estructura

convencional (la rigidez es importante para conseguir diferenciación entre

los periodos), las derivas de entrepiso resultan menores que en la

estructura convencional.

Luego, al repartir los efectos sísmicos entre todos los aisladores, se

consigue un diseño más eficiente que resulta en un sistema más flexible y

en una reducción de las fuerzas incluso mayor.

181

Fig. 6.8 Forma de desplazarse del edifico producto de la aplicación del sistema de

protección sísmica

El desplazamiento en la base de la superestructura en conjunto con los

aisladores es importante conocer para comparar que los desplazamientos

están cumpliendo con el rango de diseño y también nos permite conocer o

estimar una situación real del sistema de aislación ante el espectro sísmico

de respuesta, en la tabla 6.2 y las Figs. 6.9 y 6.10 se podrán apreciar estos

desplazamientos:

Tabla 6.2 Deformación en la base del sistema de aislación Edificio “BLOQUE E” DE

HOSPITALIZACIÓN con el sistema LRB

Tipo de Sistema

Aislación

LRB

Deformación con el Análisis Espectral

Ciudad Ambato según la NEC-11

(cm)

Sismo X Sismo Y

BASE Nv+/-0.00 10.03 11.76

PISO 7 Nv+27.72 13.74 16.06

182

Fig. 6.9 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del espectro

símico en X

Fig. 6.10 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del espectro

símico en Y

183

6.2.4 Desplazamiento Relativo de la Superestructura

En la tabla 6.3 se detallan las derivas totales (sin incremento por 0.75·R)

de la estructura para cada señal. Es evidente que, incluso con la

disminución de la rigidez, el edificio aislado tiene menores desplazamientos

relativos. Debe notarse, que las derivas de entrepiso son en realidad

incluso menores, dado que parte del valor mostrado incluye el

desplazamiento inducido por el giro (respecto a los ejes horizontales) del

sistema de aislación; los aisladores se deforman verticalmente, en

contraste con la deformación vertical despreciable de la estructura, lo que

provoca un descenso cuando la fuerza sísmica es de compresión, esto

inclina el edificio lo que resulta en un mayor desplazamiento en la terraza;

este efecto puede representar hasta 0.5 cm.

Si esta nueva estructuración fuese una estructura convencional tendría

derivas (inelásticas, calculadas con el espectro convencional I=1.5, R=6 o

lo que es también aceptable reducir el factor R de 6 a 4.5 así se tiene un

margen más grande ante cualquier desperfecto en obra al momento de

construir) de hasta 5x10-3, lo que sería mayor, pero aceptable. La

participación de la masa se reduce a 70%. Sin embargo, muchos de los

elementos estarían sobre esforzados incluso para las fuerzas reducidas,

por lo que su construcción no sería factible dentro del margen económico.

Se puede apreciar en la Figura 6.11 los desplazamientos que toda la

estructura sufre en cada uno de sus entrepisos, mostrándonos una clara

demostración de cómo está funcionando el sistema de aislación desde la

base del edifico hasta su más alto nivel de entrepiso.

184

Tabla 6.3 Derivas totales de entrepiso para el sistema aislado producto del

espectro sísmico X e Y

PISO CARGA DERIVA-X DERIVA-Y

TAPAGRADA SPECX 0,000199

TAPAGRADA SPECY 0,000292

PISO7 SPECX 0,000488

PISO7 SPECY 0,000551













(a)

185

(b)

Fig. 6.11 (a) y (b) Diagrama de máximos desplazamientos en X e Y de entrepisos en

cm

6.2.5 Aceleraciones Absolutas en la Superestructura

Este parámetro es importante ya que tiene relación directa con los daños

que pueda ocurrir ante una eventualidad sísmica y más aún para este

edificio que está destinado a la hospitalización de pacientes y por

consiguiente posee equipos costosos que no se los puede remplazar

fácilmente refiriéndose al costo elevado que tienen si alguno fallara o

presentaría averías causadas por un sismo.

Para poder estimar las aceleraciones que cada nivel de piso o entrepiso

experimenta en la acción de un sismo y a la vez para podernos dar cuenta

de cómo es su comportamiento, nos ayudaremos de figuras que a

continuación se presentan figs. 6.12 y 6.13 y en la tabla 6.4.

186

Tabla 6.4 Aceleraciones producidas por el espectro sísmico X e Y

ESPECTRO X ESPECTRO Y

PISO X Y X Y

TAPAGRADA 0.9344 0.0028 0.0643 0.9512

PISO7 0.9121 0.0117 0.0637 0.9687

PISO6 0.8593 0.0114 0.0596 0.9115

PISO5 0.8023 0.011 0.0575 0.8503

PISO4 0.7638 0.0107 0.0709 0.8093

PISO3 0.75 0.0103 0.0677 0.7928

PISO2 0.7536 0.0098 0.0505 0.7939

PISO1 0.7573 0.0086 0.0492 0.7972

BASE 0.7435 0.0082 0.048 0.783

Fig. 6.12 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos

Fig. 6.13 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos

0

2

4

6

8

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Nu

mer

o d

e P

iso

s

Aceleraciones

Aceleraciones Absolutas Segun Espectro X

Sentido X Sentido Y

0

2

4

6

8

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Nu

mer

o d

e P

iso

s

Aceleraciones

Aceleraciones Absolutas Segun Espectro Y

Sentido X Sentido Y

187

6.2.6 Corte Basal de la Superestructura

El cortante basal nos permite valorar los esfuerzos de los elementos

estructurales, las plastificaciones de dichos elementos y por lo tanto el nivel

de daño que pueden sufrir.

Se puede apreciar muy claramente en la fig. 6.14 como disminuye en gran

porcentaje el valor de la aceleración espectral y por ende el cortante basal

de una estructura aislada frente a una estructura fija, ratificando el buen

desempeño y la gran ayuda que este sistema de protección sísmica

proporciona a las edificaciones que la poseen.

Fig. 6.14 Esquema disminución de Aceleración espectral en una estructura aislada

y una sin aislar

La mayoría de aisladores elastoméricos aumentan su eficiencia según

aumenta su capacidad de carga, es decir, aisladores con un diámetro

mayor tienen una capacidad mucho mayor, pero su rigidez lateral aumenta

sólo en una fracción de la proporción.

Así, es preferible utilizar aisladores con mayor diámetro, en vez de varios

de menor diámetro, para conseguir una interfase de aislación más flexible

188

y así una elevación del periodo de la estructura aislada junto con la

disminución de la fuerza que actúa en la base de la estructura.

Tabla 6.5 Respuesta de corte basal en edifico aislado con el sistema LRB

Tipo de Sistema

Aislación

LRB

Corte Basal Análisis Espectral Ciudad

Ambato según la NEC-11

Vx (T) Vy (T)

BASE Nv+/-0.00 329.09 327.83

Fig. 6.15 Esquema fuerza de piso en Y por efecto de cargas laterales

189

Fig. 6.16 Esquema fuerza de piso en X por efecto de cargas laterales

6.3 Comparación de Comportamiento de Edificio en Estructura

Metálica vs. Estructura Aislada

Bajo muchos parámetros físicos y mecánicos que el aislador LRB brinda en

la protección sísmica podemos realizar una aplicación de amortiguamiento

al edificio “Bloque E del hospital Regional Docente Ambato” de base fija.

Durante este proceso de diseño e interpretación que se le ha dado a la

edificación protegida con el sistema LRB, nos permite ahora comparar este

sistema de protección con el análisis de una edificación de base fija o

convencional adicionando amortiguamiento y permitiendo que la energía

sísmica sea absorbida por el sistema de aisladores.

Todas las comparaciones que en este capítulo se hagan, se espera que

nos lleven a concluir que tan factible puede ser la construcción del edifico

tanto estructuralmente como económicamente.

190

Fig. 6.17 Esquema Estructura sin aislar vs. Estructura aislada

6.3.1 Desplazamientos Relativos de la Estructura Aislada y Base

Fija

La reducción de las distorsiones de entrepiso que se evidencian en la

estructura aislada protege a los elementos estructurales tanto como a los

elementos no estructurales sensibles a los daños inducidos por las

distorsiones o derivas.

Es muy notoria la reducción de derivas que se produce en el sistema

aislado que están dentro un margen del 70% significativamente esto

demuestra el buen funcionamiento del sistema que se puede ver en la tabla

6.7.

Tabla 6.6 Comparación desplazamientos máximos de piso entre el sistema Aislado

y el Sistema sin Aislar

DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS (cm)

PISO SIN AISLAR AISLADA

# X Y X Y

TAPAGRADA 10.93 10.92 13.79 13.81

PISO7 10.67 12.17 13.74 16.06

PISO6 9.90 11.34 13.56 15.86

PISO5 8.58 9.85 13.26 15.51

PISO4 6.80 7.76 12.95 15.00

PISO3 5.03 5.76 12.38 14.34

PISO2 3.02 3.52 11.54 13.52

PISO 1 1.11 1.30 10.75 12.60

BASE 0.00 0.00 10.03 11.76

191

Fig. 6.18 Diagrama desplazamientos máximos entre la estructura aislada y sin

aislar

Tabla 6.7 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin Aislar

AISLADA SIN AISLAR % REDUCCIÓN SIST. AISLADO

PISO CARGA DERIVA

X DERIVA

Y DERIVA

X DERIVA

Y DERIVA

X DERIVA

Y

TAPAGRADA SPECX 0.00020 0.00094 78.78%

TAPAGRADA SPECY 0.00029 0.00105 72.16%

PISO7 SPECX 0.00049 0.00208 76.57%

PISO7 SPECY 0.00055 0.00223 75.34%

PISO6 SPECX 0.00083 0.00350 76.15%

PISO6 SPECY 0.00095 0.00393 75.80%

PISO5 SPECX 0.00117 0.00476 75.39%

PISO5 SPECY 0.00134 0.00540 75.24%

PISO4 SPECX 0.00152 0.00451 66.32%

PISO4 SPECY 0.00174 0.00509 65.83%

PISO3 SPECX 0.00181 0.00495 63.44%

PISO3 SPECY 0.00210 0.00569 63.02%

PISO2 SPECX 0.00202 0.00483 58.19%

PISO2 SPECY 0.00235 0.00560 58.11%

PISO1 SPECX 0.00181 0.00280 35.32%

PISO1 SPECY 0.00210 0.00328 35.99%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

Nu

mer

o d

e P

iso

s

Desplazamientos (cm)

COMPARACION DESPLAZAMIENTOS MAXIMOS POR PISO

SIN AISL. X

SIN ASISL. Y

AISL. X

AISL. Y

192


6.3.2 Aceleración Absoluta de la Estructura Aislada y Base Fija

La reducción de las aceleraciones protege a los elementos no estructurales

que son sensibles a los daños inducidos por la aceleración. Después de

ocurrido un sismo, la estructura es funcional con poco o ningún daño. En

el edifico aislado bajo condiciones favorables, las distorsiones de entrepiso

y aceleraciones se reducen hasta un 70% en comparación de una

estructura fija en la base.

Tabla 6.8 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin Aislar

AISLADA SIN AISLAR % REDUCCIÓN ESTRUCTURA AISL. ESPECTRO X ESPECTRO X

PISO X Y X Y X Y

TAPAGRADA 0.9344 0.9512 4.9089 5.1285 81% 81%

PISO7 0.9121 0.9687 4.2236 4.6205 78% 79%

PISO6 0.8593 0.9115 3.7532 4.0947 77% 78%

PISO5 0.8023 0.8503 3.3321 3.5929 76% 76%

PISO4 0.7638 0.8093 2.9082 3.1297 74% 74%

PISO3 0.7500 0.7928 2.4445 2.6403 69% 70%

PISO2 0.7536 0.7939 1.9358 2.0726 61% 62%

PISO1 0.7573 0.7972 1.2570 1.3205 40% 40%

BASE 0.7435 0.783 0.0000 0.0000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007

Nu

mer

o d

e P

iso

s

DERIVAS (m)

COMPARACION DE DERIVAS

AISL. X

AISL. Y

SIN AISL. X

SIN AISL. Y

193


6.3.3 Corte Basal de la Estructura Aislada y Base Fija

De la esquematización de la figura 6.14 se puede corroborar el fenómeno

de disminución de cortante basal con los valores obtenidos de los dos

sistemas en comparación que se presentan en la tabla 6.9, donde se ve

una disminución en la estructura aislada de alrededor de un 75% frente a

la estructura sin aislar.

Tabla 6.9 Comparación de fuerzas de corte basal entre el sistema Aislado y el

Sistema sin Aislar

PISO

SIN AISLAR AISLADO REDUCCIÓN EST. AISL.

TON TON

VX VY VX VY X Y

TAPAGRADA 43.20 44.43 8.23 8.29 81% 81%

PISO7 290.95 295.99 62.52 62.46 79% 79%

PISO6 500.92 510.20 113.97 113.64 77% 78%

PISO5 673.83 686.58 161.00 160.36 76% 77%

PISO4 833.39 849.64 208.67 207.86 75% 76%

PISO3 966.94 985.86 252.99 252.04 74% 74%

PISO2 1048.63 1068.76 290.95 289.81 72% 73%

PISO1 1084.96 1105.61 329.09 327.83 70% 70%

PROMEDIO 75% 76%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4 5 6

Nu

mer

o d

e P

iso

s

Aceleracion (g)

COMPARACION DE ACELERACIONES EN LOS ENTREPISOS

SIN AISL. X

AISL. X

SIN AISL. Y

ASIL. Y

194

Al disminuir de forma gigantesca el valor de cortante basal en la estructura

aislada esto puede acreditar que los elementos estructurales considerados

en el sistema de base fija o sistema sin aislamiento se encuentren sobre

dimensionadas ya que las fuerzas laterales que hacen que la estructura sea

más rígida ahora son menores dejando así un margen de disminución en

sus elementos estructurales considerados en la estructura de base fija.

Fig. 6.21 Diagrama cortante basal estructura sin aislar

Fig. 6.22 Diagrama cortante basal estructura aislada

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 1200,00

Nu

mer

o d

e P

iso

s

Fuerza Corte Basal (Ton)

CORTE BASAL ESTRUCTURA SIN AISLAMIENTO

SIN AISL. X

SIN AISL. Y

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00

Nu

mer

o d

e P

iso

s

Fuerza Corte Basal (Ton)

CORTE BASAL ESTRUCTURA CON AISLAMIENTO

AISL. X

AISL. Y

195

6.4 Rediseño de la Subestructura

La cimentación de un edifico convencional o de base fija en relación a la

cimentación de la estructura aislada enfrenta cambios de estructuración

donde la cimentación de la estructura aislada será más compleja, pues se

trata de asimilar de una manera sencilla este complejo sistema de

cimentación que se divide en dos, en la figura 6.23 se puede observar las

partes que conforman la estructuración del sistema aislado, una superior a

los aisladores de base colocados y otra parte que está por debajo de la

misma. La estructuración que está por encima de los aisladores está

formada por una losa que trabajara como un diafragma rígido en el sentido

horizontal, la losa se complementa con un conjunto de vigas peraltadas lo

suficientemente rígidas. La estructuración por debajo de los aisladores

serán zapatas que se diseñan manteniendo el margen de capacidad

portante del suelo lo cual nos permite que la subestructura no sufra

asentamientos diferenciales mayores a los requeridos por la norma.

Fig. 6.23 Cimentación Sistema de aislación

196

Los cambios en la estructuración se hicieron también con el fin de mejorar

el comportamiento aislado de la estructura. Dado que el desplazamiento

importante se da en la interfase de aislación, no es necesario contar con

tanta rigidez como en una estructura convencional (la rigidez es importante

para conseguir diferenciación entre los periodos), las derivas de entrepiso

resultan menores que en la estructura convencional.

Luego, al repartir los efectos sísmicos entre todos los aisladores, se

consigue un diseño más eficiente que resulta en un sistema más flexible y

en una reducción de las fuerzas incluso mayor.

6.4.1 Losa Nv+/-0.00 y vigas del sistema de aislación

Para que no existan peligrosos desplazamientos diferenciales entre

columnas y elementos no estructurales del primer piso, en las direcciones

perpendiculares o en las direcciones diagonales, se requiere de una losa

con una rigidez adecuada.

Si bien en este caso las luz más crítica es de 8.95m frente a la luz de

7.20mindican que se podría construir una losa maciza de alrededor de 27

cm la cual sería suficiente, valor que se estima de un prediseño

considerando el 3%de su luz, dada la sobrecarga del hospital y la cantidad

de distribuciones arquitectónicas que se realizaran con mampostería se

prefiere una losa maciza de 30 cm.

En contraste con un aligerado que comúnmente se dispone en nuestro

medio en la que dispone de una loseta de 5 cm para resistirlas

deformaciones, una loseta maciza puede resistir estas deformaciones

empleando toda su sección.

Comparando las inercias que una losa aligerada de 30cm y la inercia de

una losa maciza de 30cm por el prediseño, se puede demostrar que las

inercias no son equitativas a la sección que la losa necesita, dejando en

197

evidencia que la rigidez de la losa aligerada de 30cm no es suficiente para

resistir las solicitaciones de la luz critica en diseño.

Fig. 6.24 Esquema corte de una losa aligerada

Ayudados de una hoja de cálculo en el Excel se puede hacer la

demostración de las diferencias que existen entre inercias de las diferentes

secciones propuestas.

Tabla 6.10 Calculo inercia de una losa aligerada de 30cm de altura

LOSA NERVADA NERVIO 10cm

t 30 cm

cc 5 cm

t-cc 25 cm

bw(nervio) 10 cm

b 100 cm

INERCIA

LOSA (cm4)

ÁREAS Y A*Y I d I+A*d^2

1 500 22.5 11250 1041.67 5.00 13541.67

2 250 12.5 3125 13020.83 5.00 19270.83

3 250 12.5 3125 13020.83 5.00 19270.83

SUMA 1000 17500 52083.33

Tabla 6.11 Calculo inercia de una losa maciza de 30cm de altura

I 225000.00 cm4

b 100 cm

h 30.00 cm

INERCIA EQUIVALENTE LOSA MACIZA b=100

t=30.00

198

Observando la inercia de la losa maciza frente la inercia de la losa aligerada

demostramos que la rigidez de la losa aligerada de 30cm no es suficiente

frente a una rigidez de losa maciza de 30cm.

Para evitar esta situación y remediar el problema que se puede presentar

por el pandeo y alabeo de las losas se puede atiesar la luz de 8.95m y la

de 7.20m a la mitad con una viga intermedia, demostrando así que la

sección de losa aligerada de 30 cm está sobredimensionada, por ende se

debe realizar un reajuste de altura de losa, quedando definida una losa

bidireccional de 20cm de altura que aun así quedaría sobredimensionada,

pero bajo las requerimientos de la importancia del edificio mantenemos la

sección de losa adoptada de 20cm.

(a)

199

(b)

Fig. 6.25 (a) y (b) Esquematización 3D losa de piso Nv+/-0.00 en la superestructura

De acuerdo a los requerimientos de la ACI 318-08 la relación entre luces

es de 0.62 indicando que la losa puede ser bidireccional, valor que resulta

de la siguiente interpretación:

m=s/l >0.5 LOSA BIDIRECCIONAL

m=s/l <0.5 LOSA UNIDIRECCIONAL

Donde:

s= luz critica menor

L= luz critica mayor

Luego, las vigas funcionan como tensores de cimentación que ayudan a

controlar los desplazamientos diferenciales. Además, cumplen la función

de restringir el giro de los elementos verticales que llegan a la interfase y,

por último, deben tomar los momentos que se generan por la excentricidad

de la carga cuando los aisladores experimentan un desplazamiento.

Los momentos por sismo deben determinarse sin reducción efectiva, es

decir, directamente con las fuerzas obtenidas de la máxima de las tres

señales; luego, los momentos por excentricidad deben determinarse con la

capacidad de carga del aislador y el desplazamiento máximo creíble (la

mitad del momento lo toma el podio superior).

200

Finalmente, los momentos por cargas de gravedad se dan por el apoyo de

la losa. En resumen, las vigas del sistema de aislación se diseñaron para

soportar las cargas de sismo, gravedad y las provenientes de la

excentricidad de la carga axial en los aisladores.

(a) (b)

Fig. 6.26 (a) viga intermedia o atiesadora, (b) viga principal de losa para el sistema

de aislación de losa de piso Nv+/-0.00 en la superestructura

Considerando las condiciones de diseño de la NEC-11 se utilizo

combinaciones de cargas utilizando el diseño por resistencia. Las

estructuras, componentes y cimentaciones deberán ser diseñadas de tal

manera que la resistencia de diseño iguale o exceda los efectos de las

cargas incrementadas, de acuerdo a las combinaciones siguientes

combinaciones básicas.

1. 1.4D

2. 1.2D+1.6L+0.5(Lr o S o R)

3. 1.2D+1E+L+0.2S

4. 0.90D+1E

Previo a conocer el resultado del porcentaje de acero longitudinal que se

colocara en cada una de las vigas diseñadas, también el programa realiza

un analisis de donde podemos apreciar que estima como combinacion

201

critica para el diseño de las vigas a las combinaciones que se muestra en

la figura 6.27.

(a)

(b)

Fig. 6.27 (a) Combinación NEC-11 estimando el sismo en Y (b) combinación

estimando sismo en X

En la figura 6.28 se tiene el resultado del porcentaje de acero de refuerzo

que cada viga debe tener en su sección bajo las condiciones del código

ACI318-08 que el programa ETABS tiene predeterminado, normativas que

son acogidas por la NEC-11 en su capítulo 1 (CARGAS Y MATERIALES

sección 1.1.5.3.2).

202

(a)

(b)

Fig. 6.28 (a) Refuerzo longitudinal en cm y (b) porcentaje de cuantía requerido en

las vigas del sistema de aislación de la superestructura Nv+/-0.00

Las secciones y el armado de los elementos estructurales en el Nv+/-0.00

sobre los aisladores como son la losa de piso, las vigas y apoyos, se

mostraran en los planos que se adjuntaran en los anexos.

Además, no se puede olvidar el confinamiento de las vigas de acuerdo a la

NEC-11 en su capítulo 4 (Hormigón Armado sección 4.2.7) confinamiento

203

que la norma requiere con la finalidad de asegurar la ductilidad de los

elementos.

6.4.2 Diseño Cimentación

La cimentación será a base de zapatas, que soportarán los esfuerzos

transmitidos por los apoyos que están sobre los aisladores. La cimentación

o subestructura, en consideración de la principal función de transferir

adecuadamente las cargas de las edificaciones al subsuelo, debe ubicarse

y desplantarse sobre materiales que dispongan de características

geomecánicas suficientes para garantizar tanto la resistencia al corte así

como un idóneo desempeño de los asentamientos que se generen.

Fig. 6.29 Sistema de aislación sísmica LRB

El diseño de todo lo que esté por debajo de los aisladores debe cumplir con

dos requerimientos importantes: debe ser diseñado para resistir la fuerza

sísmica sin reducción y debe garantizar el acceso a los aisladores para su

inspección o mantenimiento.

La subestructura y las vigas que forman parte del sistema de aislación

deberían diseñarse sin reducir las fuerzas, con la finalidad de que sea la

204

superestructura la que entre en régimen inelástico si se excedieran las

aceleraciones asumidas.

Fig. 6.30 Sistema de aislación sísmica LRB

El diseño de las zapatas para los aisladores resulta sencillo cuando no

existe la posibilidad de que se presente tracción en los aisladores, ya que

sólo consiste de una carga vertical y un momento que sólo depende del

desplazamiento del sistema y que se genera por la excentricidad de la

carga y la fuerza cortante en el aislador. Para el diseño de la cimentación

se ha considerado la combinación máxima obtenida con la capacidad de

carga del aislador y el desplazamiento máximo creíble.

205

Fig. 6.31 Sistema de aislación sísmica LRB para Bloque E Hospital Regional

Docente Ambato

Al observar la figura 6.31adjunta, se verá que:

Los aisladores se ubican sobre podios que se dimensionan de acuerdo a la

plancha de anclaje de los aisladores, por lo que su diseño y armado de

flexo-compresión se basa a los requerimientos de la NEC-11 que estipula

en su capítulo 4 (Hormigón Armado sección 4.3).

La cimentación debe contar con un acceso necesario el cual debe

garantizar una altura prudente entre las vigas de conexión y la zapata, en

esta caso se estima necesario 1 metro más de altura el que garantiza que

se pueda apoyar el edificio directamente sobre la zapata con gatas y

reemplazar el aislador si fuese necesario. Todas las zapatas se han

diseñado para la misma fuerza vertical de 589.06 toneladas, se estima que

se puede tomar el 50% de la carga ya que el otro 50% será absorbido por

el apoyo superior, pero para efectos de prediseño y ver el comportamiento

que se espera consideramos el 100% de la carga máxima.

206

Esto resulta en un diseño muy conservador por el incremento que se

considera en las estimaciones de secciones, pero lo que si estamos

asegurando es que el sistema cree un conjunto de protección sísmica

idóneo al edificio. Se han considerado zapatas excéntricas, dado que el

edificio forma parte de un complejo hospitalario muy importante de la

región.

Fig. 6.32 Nivelación plancha de anclaje previo al hormigonado del apoyo del

aislador LRB

207

CAPÍTULO VII

7. ESTUDIO COMPARATIVO DE COSTOS DEL EDIFICIO


Bajo un estudio preliminar del comportamiento que tiene el sistema de

protección sísmica en edificaciones, se puede hablar de un entorno físico y

mecánico de las cualidades que el sistema ofrece a las edificaciones

importantes de nuestro medio, ahora en consecuencia de esos beneficios

que el sistema ofrece nos adentramos a ver en este capítulo las ventajas y

desventajas que ofrece en el aspecto económico donde existe ya un

mercado amplio que ofrece mucho para las nuevas tendencias en

construcción sobre todo en países de alto riesgo sísmico, en los cuales

nuestro país Ecuador no puede quedar desmerecido puesto que nuestra

región muestra que tiene un alto porcentaje de vulnerabilidad a estas

eventualidades.

Sin duda se tiene presente el objetivo de estudio que el proyecto quiere

alcanzar y que menciona en su primer capítulo donde se pondrá en

comparación el comportamiento estructural y costos, ante la

implementación de aisladores sísmicos a la cimentación del edificio

diseñado en acero o estructura metálica versus un edificio tradicional.

7.2 Estimación de Costos Totales del Edificio en Estructura Metálica

vs. Edificio en Estructura Metálica Aislado

Los costos directos e indirectos de la protección sísmica dependen del

sistema que se instale, de las características y requisitos del proyecto, y de

los costos de los servicios que puedan verse afectados por los sistemas de

protección símica, entre otros factores. Son muchas las variables a

considerar y deben ser estudiadas para cada proyecto en particular.

En sí, ninguna normativa vigente está orientada a reducir los costos

iniciales de las estructuras con sistemas de protección sísmica, aunque

208

especialmente en el caso de aislamiento sísmico es posible generar algún

grado de aligeramiento de la estructura sismo resistente. De todas formas,

el objetivo principal de los dispositivos de protección sísmica es mejorar la

respuesta y seguridad sísmica de las estructuras.

En general la inversión inicial en una estructura con sistemas de protección

sísmica suele ser mayor que una estructura convencional. No obstante, la

reducción de la probabilidad de daño estructural y no estructural durante un

evento sísmico severo durante la vida útil de la estructura compensa la

inversión inicial.

Los sismos producen anualmente daños económicos y sociales inmensos

en diferentes regiones del planeta. Los técnicos en el área han tratado de

encontrar una solución mediante la implementación de sistemas reductores

de fuerzas sísmicas, que busca disminuir los daños provocados por

eventos sísmicos.

A continuación se presenta una serie de costos que deben ser

considerados al evaluar económicamente la instalación de aisladores

sísmicos. Cabe recalcar nuevamente lo que ya se mencionó en el primer

capítulo donde se considera que estos aspectos varían dependiendo del

tipo de aislación que se instale y las características de cada proyecto.

Costos de mantención e inspección.

Costo de proveer un espacio físico adicional para la instalación de

los aisladores.

- Costo de los dispositivos.

- Costos del proyecto de aislación.

- Costos de fabricación y ensayo de prototipos y aisladores de obra.

- Costos de instalación.

- Costos directos como anclajes y gastos generales por aumento de plazos.

- Costo de protección al fuego de los dispositivos en caso que se requiera.

209

- Costo del sistema de conectores flexibles en las instalaciones y juntas de

dilatación.

- Costo del diafragma (losa de piso Nv+/-0.00) adicional requerido por sobre

el nivel de aislación y columnas de gran dimensión o envigados por debajo

del sistema de aislación.

- Costos de la superestructura y subestructuras requeridas para alcanzar

objetivos de desempeño compatibles con los provistos por el sistema de

aislación.

Otro punto de igual importancia, como se dijo anteriormente, es que se

siguen diseñando las estructuras aisladas en la mayoría de los países sin

considerar la disminución real de los esfuerzos sobre la superestructura,

incluso se opta por un diseño convencional para ésta, pero se espera que

con el tiempo se termine con esta práctica.

Los parámetros que se deben considerar al evaluar el costo global al

edificar una estructura aislada sísmicamente son de diversa gama, muchos

de ellos difíciles de evaluar debido a sus características poco tangibles.

En resumen por mencionar la variación en el diseño de los elementos

estructurales entre el diseño convencional y el diseño con aislación sísmica,

costos directos e indirectos propios del sistema aislante ( aisladores,

pedestales de apoyo, sistemas de conexión, costos de reparación por

daños estructurales después de un movimiento sísmico, daños psicológicos

y físicos en los residentes de la estructura, daños materiales en el contenido

de ésta, prolongación de la vida útil del edificio aislado, tipo y función de la

edificación, etc.).Los costos tanto para un edificio aislado como uno fijo se

desglosan en costos directos e indirectos.

7.2.1 Estimación de Costos Directos

Los costos directos, son aquellos que se deben a las erogaciones que se

hacen por: materiales, mano de obra, equipos y herramientas para realizar

210

un trabajo. Generalmente las estructuras aisladas tienen un costo directo

más alto que las estructuras fijas, aproximadamente entre un 1% y un 10%

más del costo directo de las de base fija, dependiendo esto del dispositivo

utilizado y del tipo de edificación ya sea esta vivienda social, pública,

comercial, etc.

Sin embargo, se debe mencionar que en algunos casos, aunque menos

frecuentes, el costo directo al edificar una estructura aislada puede ser de

alrededor de un 5% más barato que su par fijo. Algunos países como China

han evolucionado en cuanto a la disminución de los costos directos, esto

debido principalmente al hecho de diseñar las estructuras aisladas con los

verdaderos esfuerzos que actúan sobre ella.

De manera objetiva se podrá citar los costos más redundantes de la parte

estructural de la obra que conforma la subestructura del edificio

considerando así:

1. Costos directos de la cimentación del edificio tanto para estructura

aislada como para la fija.

2. Costos del sistema aislante (aisladores, pedestales de apoyo, instalación

de redes flexibles, instalación del sistema aislante, etc.), sólo para

estructura aislada.

De acuerdo a los objetivos planteados se ha realizado una estimación

volumétrica de obra de la parte estructural de la cimentación del edifico con

lo cual se podrá hacer un comparativo de costos entre el edificio original y

la estructura aislada, la estimación de costos esta referenciada al boletín

técnico de la Cámara de la Industria de la Construcción de Quito.

211

Tabla 7.1 Comparación de costos según volúmenes de obra entre estructura

original y asilada

COSTOS DIRECTOS

INSTITUCIÓN:

UNIVERSIDAD CENTRAL

DEL ECUADOR ESC. INGENIERÍA CIVIL

ELABORADO: ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO

PROYECTO: CIMENTACIÓN - HOSPITAL

REGIONAL DOCENTE

AMBATO BLOQUE E

FECHA: 27/08/2014

UBICACIÓN: CIUDAD AMBATO

CÓD. DESCRIPCIÓN UNID. CANTIDAD

P. UNIT. P. FINAL

CONV. AISL. CONV. AISLADO

MOVIMIENTO DE TIERRAS

1.1 Limpieza y desbroce m2 1221.45 1221.45 1.02 1245.88 1245.88

1.2 Replanteo y nivelación con equipo topográfico

m2 1221.45 1221.45 1.91 2332.97 2332.97

1.3 Desbanque manual m3 38.40 8.56 328.70 0.00

1.4 Excavación manual en cimientos y

plintos m3 34.52 8.56 295.49 0.00

1.5 Excavación, H=3 a 4m. A máquina (excavadora)

m3 960.00 4885.80 5.00 4800.00 24429.00

1.6 Relleno compactado con suelo natural m3 430.94 4500.02 7.30 3145.86 32850.18

1.7 Desalojo a máquina. Equipo: Cargadora frontal y volqueta

m3 494.54 385.78 6.28 3105.71 2422.67

ESTRUCTURA

2.1 Replantillo H.S.140kg/cm2. Equipo:

Concretera 1 saco m3 46.76 36.50 100.06 4678.81 3652.19

2.2 Hormigón ciclópeo 60%H:S: y 40% piedra f'c=210kg/cm2

m3 0.00 0.00 0.00

2.3 Plinto de hormigón simple f'c=210kg/cm2

m3 328.54 365.04 118.07 38790.25 43100.27

2.4 Hormigón simple cadenas

f'c=210kg/cm2 (incluye encofrados) m3 34.16 242.96 8299.03 0.00

2.5 Hormigón simple columnas/podios f'c=210kg/cm2 (incluye encofrados)

m3 16.22 76.03 187.60 3043.62 14263.60

2.6 Hormigón en vigas f'c=210kg/cm2

(incluye encofrado) m3 124.49 237.35 0.00 29547.70

2.7 Hormigón en losa 20cm f'c=210kg/cm2 (incluye encofrado)

m3 82.73 311.20 0.00 25744.95

2.8 Bloque de alivianamiento 15*20*40*cm timbrado + estibaje

u 5964.00 0.73 0.00 4353.72

2.9 Acero de refuerzo fy=4200kg/cm2 (con alambre galv. N°18)

kg 31586.32 118998.30 1.80 56855.38 214196.94

SISTEMA DE PROTECCIÓN SÍSMICA

3.1 Aislador LRB φ=95cm (D.I.S) u 24.00 7500.00 180000.00

COSTO DIRECTO TOTAL: 126921.69 578140.08

212

Este proyecto tomara en cuenta la parte estructural de la cimentación o

subestructura para el diseño de zapatas, además de lo añadido se tomara

la losa aligerada que se asignó como diafragma rígido en el primer piso en

conjunto con el diseño de las vigas portantes de la misma. Así, se elabora

la siguiente tabla resumen:

Tabla 7.2 Comparación de volúmenes de obra entre estructura original y asilada

ELEMENTOS HORMIGÓN 210(M3) ACERO (kg)

ORIGINAL AISLADA ORIGINAL AISLADA

Cimentación (zapatas) 328.54 365.04 21527.48 16145.61

Col. Plinto 16.22 4769.90

Cadenas 34.16 5288.94

Contrapiso 98.33

Podios aislación 76.03 25841.09

Losa y vigas de aislación 207.22 77011.60

Suma Total 477.24 648.29 31586.32 118998.30

Incremento (%) 35.84 276.74

De la tabla 7.2 se pueden establecer las siguientes comparaciones:

El volumen de hormigón de resistencia característica de 210 kg/cm2se

aumenta en un 35.84%. Así, se observa que el aumento en el acero es

considerable en un 276.74%, que por el hecho implica tener una

subestructura más costosa que la cimentación del edificio original. Este es

un costo directo de los materiales, sin embargo, también se debe

mencionar que el sistema de aislación es un piso adicional, lo que

incrementa el costo de la mano de obra y el tiempo de construcción. Luego,

se debe agregar el costo de los aisladores que se estima según la figura

7.1 la que muestra sus costos entre los 5 mil a los 60 mil dólares según los

tamaños. El costo en Chile donde ya se han introducido al mercado, es

aproximadamente de 7500 dólares por aislador ó 180000 dólares por todo

el sistema de aisladores.

213

Fig. 7.1 Estimación de costos para los aisladores según su tamaño

Dada la comparación realizada para el caso la cimentación propuesta en la

tabla 7.1 se puede evidenciar que el sistema de protección sísmica a una

edificación incrementa sus costos directos en un gran porcentaje,

estimación que muestra un incremento de precios del 400%. Lo que

demuestra que la cimentación de una estructura convencional es 4 veces

menor de lo que podría llegar a costar una cimentación aislada. A demás

se puede apreciar el alto costo de cada uno de los elementos que

conforman el sistema de protección sísmica, valor que bordea el 30% del

presupuesto total estimado en los precios directos.

7.2.2 Estimación de Costos Indirectos

Por otro lado, también se deben notar los puntos a favor del uso de

aisladores y si bien esta tesis no contempla el análisis de costos a largo

plazo, especialmente por lo difícil que es cuantificar muchos de ellos, se

tiene que mencionar que durante la vida útil del edificio ocurrirán sismos

frecuentes y quizás sismos importantes. Sin duda al tratarse de una

estructura esencial, deberían analizarse los costos que se podrían

producirse si en el peor de los casos la estructura dejara de funcionar, estos

costos no se los podría cuantificar si se la observa desde una perspectiva

social.

214

También se pueden mencionar costos como aseguramiento de la

estructura y de sus componentes que también se dañarán durante un

sismo; edificaciones que alberguen equipos costosos (servidores de bases

de datos, equipos médicos, maquinaría industrial de precisión, etc.), se

verán más beneficiadas por la aislación.

A diferencia de los costos directos, todos estos últimos son costos

probables; pero deberán tenerse en cuenta al realizar un análisis

exhaustivo de las ventajas económicas de utilizar un sistema de aislación.

Por otro lado, no hay comparación alguna entre los costos indirectos de una

estructura aislada con una estructura de base fija, ya que una estructura

aislada disminuye notoriamente sus respuestas frente a una excitación

sísmica, como ser aceleraciones sobre la superestructura,

desplazamientos relativos entre pisos, esfuerzos, etc., lo que implica que

no tendrá daños cuando se vea afectada por un sismo de gran intensidad,

tendrá una vida útil mucho mayor, los contenidos y las personas no sufrirán

daño debido a la notable disminución de las aceleraciones, por lo que todo

esto hace de la aislación sísmica una alternativa extremadamente

ventajosa en el diseño sismo resistente de estructuras.

De lo acotado anteriormente se puede estipular que existen estudios que

avalan el aumento de los porcentajes económicos en una estructura aislada

sobre la convencional, puesto que los daños sufridos en porcentajes de la

estructura convencional aumentarían en aproximadamente un 17% y en la

estructura aislada en 3%, para ello a continuación se hace referencia a los

daños que puede estar expuesta la estructura de base fija:

1. Reparación del edificio por sufrir daños estructurales y no estructurales

luego de un sismo.

2. Daños y pérdidas en el contenido del edificio.

215

3. Devaluación del edificio por el hecho de haber sufrido daño frente a un

sismo.

4. Daños emocionales y físicos en las personas que ocupaban el edificio

durante un sismo.

Dado nuestro caso de análisis lo importante es destacar que el campo de

referencia es la parte estructural de la cimentación del sistema de aislación

por lo cual no hay mucho que cuantificar dentro del rango de daños

estructurales como ocurre en la superestructura, dado que ahí sí se pueden

cuantificar los costos indirectos por los efectos causados en los que

involucran parámetros representativos y cuantificables como son: los

costos por daño y reparación de la estructura, los costos y pérdidas en los

contenidos del edificio y el lucro cesante, para dicho fin se utiliza una curva

de vulnerabilidad o fragilidad.

Es importante conocer cómo se maneja la interpretación de resultados de

las curvas de fragilidad las que hacen referencia al porcentaje de daños

que la estructura puede sufrir después de una eventualidad sísmica.

Para la realización de estudios de vulnerabilidad sísmica es necesario tener

las curvas de fragilidad, para la cual existen varias formas de obtenerlas,

las mismas que se indican a continuación:

1) Mediante observaciones de campo, luego de haberse registrado un

sismo.

2) De forma experimental en un laboratorio

3) En forma analítica mediante simulación y.

4) Métodos basados en la opinión de expertos.

216

Las curvas de fragilidad dan una idea muy clara del comportamiento de una

estructura ante una acción sísmica, representa la probabilidad de que la

respuesta exceda una determinada distorsión de piso.

Ghobarat et al (1997) define cinco niveles de desempeño, en función de la

deriva máxima de piso o distorsión máxima de piso ال, los mismos que se

indican en la tabla 7.3, esta clasificación es muy útil para utilizar en los

casos de estudio por lo que además indica de forma general el nivel de

daño en cada clasificación y desempeño24.

Tabla 7.3 Niveles de daño propuestos por Ghobarah et al (1997)

Distorsión de Piso Daño Descripción del Daño Desempeño

Sin daño Sin daño Sin daño 0.002>ال

Leve Grietas ligeramente visibles Agrietamiento 0.005>ال≥0..0.

Moderado Grietas menores de 1mm Fluencia del acero 0.011>ال≥0..0.

Extensivo Grietas entre 1 y 2mm Inicio de mecanismo 0.023>ال≥0.00.

Completo Grietas mayores a 2mm Mecanismo global 0.023≤ال

Cabe acotar también que la Agencia Federal para el Manejo de

Emergencias (FEMA) por sus siglas en inglés, publico en 1999 el programa

HAZUS que proviene de Hazards U.S. en que indica una metodología para

la estimación de las perdidas por sismos y más que eso presenta

información muy práctica, la misma que puede ser utilizada en la evaluación

de la vulnerabilidad sísmica de una ciudad en forma bastante rápida.

Entre la información, se tienen las curvas de fragilidad que Hazus 99,

presenta estas curvas para cuatro niveles de diseño denominados: pre-

norma, bajo, moderado y alto; para cada uno de estos niveles de diseño,

se tiene un límite de la deriva máxima de piso ال, los mismos que se indican

en la tabla 7.4 y 7.5 para los cuatro niveles de daño, denominados: leve,

moderado, extensivo y completo.

24 Monografías de Ingeniería Sísmica. Evaluación rápida de la deriva máxima de piso para calcular la vulnerabilidad sísmica de estructuras. Roberto Aguiar F. CEINCI. ESPE

217

Tabla 7.4 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1L

Niveles de daño Niveles de diseño

Pre-norma Bajo Moderado Alto

Leve 0.0040 0.0050 0.0050 0.0050

Moderado 0.0064 0.0080 0.0087 0.0100

Extensivo 0.0160 0.0020 0.0233 0.0300

Completo 0.0400 0.0500 0.0600 0.0800

Tabla 7.5 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1M

Niveles de daño Niveles de diseño

Pre-norma Bajo Moderado Alto

Leve 0.0027 0.0033 0.0033 0.0033

Moderado 0.0043 0.0053 0.0058 0.0067

Extensivo 0.0107 0.0133 0.0156 0.0200

Completo 0.0267 0.0333 0.0400 0.0533

Los valores de las derivas máximas de piso, en el umbral del nivel de daño

indicadas en las tablas 7.4 y 7.5 corresponden a estructuras de hormigón

armado, sin muros de corte, de 1 a 3 pisos y de 4 a 7 pisos, respectivamente

que Hazus 99 las denomina C1L y C1M.

Consecuentemente de forma resumida y de acuerdo a los resultados

obtenidos en las derivas del edificio tradicional de base fija donde se tiene

las mayores derivas, hacemos una comparación a breves rasgos de donde

podemos apreciar que los daños en la estructura serán leves y/o

moderados, demostrando que los diseños de los edificio tradicional de base

fija como el edificio aislado son óptimos y que no sufrirán daños

consecuentes después de ocurrido un sismo severo.

218

CAPITULO VIII

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La aislación sísmica de edificaciones en nuestro País resulta

beneficiosa, debido a que la geografía misma nos ubica en un sector de

alta peligrosidad sísmica donde las frecuencias predominantes de los

sismos podrían llegar a ser altas, lo que implica que su utilidad

sobretodo en edificaciones de gran importancia entre ellos los

hospitales, brinden un buen funcionamiento de la estructura antes,

durante y después de ocurrido un evento sísmico lo cual también

ahorraría gastos de reparación de equipos y herramientas de uso propio

de un hospital.

El objetivo de un diseño con aislación, es que el edificio no resulte

dañado durante un sismo severo. Esto puede representar un costo

directo adicional, dado que la reducción de las fuerzas en la

superestructura no compensa el incremento de los costos de la

cimentación y el sistema de aislación en sí. Sin embargo, el incremento

de los costos no es sustancial y podría ser despreciable si la obra es de

gran envergadura.

El aislamiento basal es una técnica de diseño sismo resistente que

consiste en introducir un elemento de apoyo de alta flexibilidad o baja

resistencia que independiza a la estructura del movimiento que se

propaga por el suelo donde ésta se asienta. Esta técnica constituye uno

de los procedimientos de diseño sismo resistente más promisorio como

ha quedado demostrado por vastas investigaciones en la última década

y por el buen comportamiento de estructuras aisladas sísmicamente

durante recientes terremotos en el mundo y sobre todo en nuestro país

vecino Chile.

219

A las técnicas de aislamiento sísmico o protección sísmica, se puede

agregar que no tan solo pueden ser utilizadas en estructuras nuevas,

sino también para el mejoramiento o rehabilitación de estructuras ya

existentes. Además ambas técnicas de diseño sismo resistente reducen

de manera muy satisfactoria la respuesta horizontal frente a

solicitaciones sísmicas, no así la respuesta frente a solicitaciones

provocadas por el viento, motivo por el cual estos sistemas se utilizan

principalmente en estructuras pequeñas y medianas.

Los beneficios que se consiguen con la implementación de un sistema

aislante en la base son: una reducción de las aceleraciones en el edificio

a aproximadamente la tercera parte, con la consiguiente reducción de

los esfuerzos sobre la estructura. La reducción es aún más importante

en los momentos volcantes en los pisos bajos, pues la distribución de

aceleraciones con la altura resulta casi uniforme, en vez de aumentar

éstas con la altura, como sucede en un edificio sin aislación.

Los inconvenientes más importantes que se presentan son: los grandes

desplazamientos a nivel basal, que obligan a desarrollar detalles

especiales para la conexión de las instalaciones eléctricas, de agua

potable, alcantarillado y gas, los accesos y las escaleras, la necesidad

de poder cambiar aisladores durante la vida útil del edificio para

someterlos a prueba.

Chile es un claro indicativo de cómo funcionan los aspectos económicos

ante un cambio o implementación de sistema de protección sísmica en

una edificación de base fija, generalmente las estructuras aisladas

tienen un costo directo entre un 1% y un 10% más del costo directo de

las de base fija. Sin embargo, no hay comparación en la disminución del

costo indirecto en una estructura aislada debido principalmente a que

ésta no sufrirá daños cuando sea sometida a un sismo de gran

intensidad, evitándose así los costos de reparación y/o costo total de la

estructura fija si ésta ha colapsado.

220

Actualmente existen numerosas aplicaciones de sistemas de

aislamiento de base con apoyos elastoméricos en varios países tales

como Japón, Estados Unidos, Nueva Zelanda, Italia y en varios países

latinoamericanos como Brasil, Chile y Colombia. En el Ecuador no se

cuenta aún con ninguna estructura con aislamiento sísmico de base, sin

embargo la construcción del puente Bahía de Caráquez-San Vicente,

en el cual se implementaron aisladores de base del tipo FPS, sienta un

precedente importante en la Ingeniería Sísmica del país, lo que nos

hace pensar que un futuro cercano en nuestro país ya se pueda tener

edificaciones con este sistema de protección bajo un amplio

conocimiento del comportamiento de estos sistemas en las

edificaciones de nuestros países vecinos.

Los beneficios de la implementación de sistemas de aislación sísmica

en un mundo globalizado son ahora una alternativa muy eficiente para

contrarrestar los daños que causan los desastres naturales, donde la

implementación de sistemas de protección en edificaciones de

importancia han llegado a ser investigados para comparar el

rendimiento del aislador de base instalado en una edificación

convencional de estructura metálica aporticada y otra de base fija. Con

esta inclusión de dispositivos de aislación de base, se busca dar

seguridad a una estructura cuya finalidad es salvaguardar la integridad

de sus ocupantes ante un evento sísmico.

En contraste con la filosofía de diseño convencional, las estructuras con

aislamiento de base vibran como un cuerpo rígido, con grandes

deformaciones de desplazamiento que son soportadas por los

aisladores. En una estructura sin aislamiento de base, se ve como la

aceleración del suelo es transmitida en gran medida a la

superestructura, lo que opuestamente ocurre en una estructura aislada

son que las fuerzas laterales no solamente que se han reducido en

magnitud, sino que se han redistribuido sobre los pisos, mitigando el

momento que tiende a volcar la estructura.

221

Un aspecto muy importante a considerar son los costos a largo plazo,

especialmente en proyectos de inversión para la sociedad, por lo que

se puede afirmar que las edificaciones más beneficiadas serán edificios

de vital importancia durante emergencias (hospitales, estaciones de

bomberos, cuarteles de policía, posibles refugios, etc.) y de contenido

valioso o peligroso (museos, almacenes industriales, etc.). Por ende se

puede convencer a aquellos usuarios que valoren la seguridad propia o

de su inversión: como oficinas de corporaciones o viviendas de lujo, que

el costo adicional es justificable. En un futuro, se espera que los

sistemas de aislación sísmica y otras alternativas que eleven el factor

de seguridad de las estructuras se conviertan en un estándar. Dadas

las circunstancias finales en la construcción de un hospital en este caso,

si bien existe un costo directo adicional, éste es porcentualmente

mediano y resulta en un beneficio a largo plazo.

Los aisladores de base se basan en el concepto de la reducción de la

demanda sísmica donde estos sistemas tienen como finalidad aislar la

cimentación de la superestructura. Al colocarlos se alarga

considerablemente el período fundamental de vibración de la estructura

llevándolo a zonas en donde las aceleraciones espectrales son

reducidas y, consecuentemente, las fuerzas que producen resultan de

menor cuantía. Como la frecuencia disminuye, las aceleraciones

introducidas disminuyen al igual que los efectos dañinos del movimiento

del suelo en la estructura. El mayor beneficio se encuentra en

estructuras con períodos del orden de un segundo o un poco menor, o

edificios con ciertas características en donde se acentúa la torsión.

De acuerdo con las observaciones realizadas a partir del análisis del

edificio aislado, se concluye que tanto la altura como la esbeltez de la

edificación son parámetros limitantes para el aislamiento eficiente de

una estructura. La esbeltez y la altura están directamente vinculadas

con la capacidad de carga de los aisladores elastoméricos, que es el

factor que controla la eficiencia del diseño en estos casos. Asimismo, el

222

periodo natural de la superestructura es un indicador de la eficiencia

posible en la aislación. Un periodo muy alto impide conseguir una

diferenciación con el periodo del conjunto aislado, de forma que resulta

difícil concentrar los desplazamientos en la interfase de aislación. Una

forma sencilla de determinar si la aislación de una estructura es

recomendable, es verificar que la máxima esbeltez sea menor a 1.5, la

altura del edificio menor a 35 metros u 8 pisos, exista la posibilidad de

colocar una junta sísmica de aproximadamente 50 cm y un periodo

natural menor a un décimo del número de pisos.

Es preferible utilizar aisladores de mayor área transversal, debido a que

estos son más eficientes: para obtener una capacidad de carga dada,

con una misma altura de aislador, será más eficiente, es decir, se

logrará una menor rigidez lateral y por ende una mayor reducción de la

fuerza sísmica, al utilizar un aislador de mayor diámetro que varios de

diámetro menor de forma similar, es recomendable utilizar un menor

número de aisladores y de características similares, es por eso que en

este estudio de ocupo un solo tipo de aislador para permitirnos así

reducir la incertidumbre del comportamiento.

Se ha concluido que el espectro de la Norma no está optimizado para

periodos mayores a 2 segundos, como es el caso de las estructuras

aisladas. Así, se recomienda hacer uso de un análisis tiempo historia

considerando la máxima fuerza resultante de tres acelerogramas

representativos como lo sugiere la Norma Ecuatoriana de la

Construcción NEC-11.

Se concluye que el procedimiento de diseño de los aisladores y de la

estructura no es un análisis complicado, pero puede resultar tedioso al

ser iterativo. El diseño estructural es el mismo que para una edificación

convencional, con la salvedad que se debe prestar más atención a los

efectos P-Δ para el diseño de las columnas del primer piso, las vigas de

223

la interfase de aislación y la cimentación, debido a que el mayor

desplazamiento incrementa la importancia de este efecto.

Con respecto al costo directo de los dispositivos es necesario agregar

que en el futuro deberán disminuir, esto principalmente por el hecho de

diseñar las estructuras aisladas con los verdaderos esfuerzos que

actúan sobre ella, lo que permitirá reducir el costo directo de la

edificación. Además, si los aisladores se construyeran en gran cantidad,

habría también un abaratamiento importante, pues las matrices se

podrían amortizar en un mayor número de usos.

Por otro lado, en Ecuador, todavía no se cuenta con ningún tipo de

norma o regulación sobre aislación sísmica (excepto por las

recomendaciones que la NEC-11 menciona en su capítulo 2.10), hecho

que provoca un estancamiento en el desarrollo de ésta área de la

ingeniería estructural, pues para fomentar el uso de aisladores se debe

comenzar por desarrollar recomendaciones y normas de diseño; que en

el caso de nuestro país éstas deberían ser prácticas y dar un nivel de

seguridad satisfactorio tomando en cuenta la sismicidad regional.

Es necesario mencionar que más allá de los objetivos explícitos de la

presente Memoria, su real importancia es de motivar a las autoridades,

docentes y estudiantes afines a la materia puedan continuar

investigando sobre el diseño sismo resistente mediante sistemas de

control de vibraciones, con el objeto de abrir una senda hacia el

desarrollo de estos sistemas en nuestro país. Se espera además, que

la presente Memoria se transforme en el punto de referencia para

cualquier tipo de investigación sobre ésta alternativa factible de diseño

sismo resistente.

224

Dentro de la gama de aisladores elastoméricos sin duda el aislador LRB

por la incorporación de un núcleo de plomo nos permite llegar a niveles

de amortiguamiento mayores (20% a40%), el núcleo de plomo cumple

dos funciones principales. La primera es la de aumentar el

amortiguamiento del aislador, pues el plomo puede fluir bajo

deformación 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 conclusión

al incorporar al aislador un núcleo de plomo, se tiene un elemento que

combina en una unidad física un elemento flexible y un disipador de

energía.

Un aspecto muy relevante que hay que considerar al momento de ver si

puede aplicar el sistema de aislación a una estructura, es tener claro

que la conveniencia de usar aisladores de base depende de las formas

de los espectros. Pero no solamente la forma del espectro determina la

aplicabilidad del aislamiento sísmico. Este sistema tiene mayor

efectividad en estructuras asentadas en suelos rígidos, y que tengan

periodos fundamentales bajos. Por otra parte, no es efectivo en

estructuras asentadas en suelos blandos y con periodos fundamentales

altos.

En el caso de estructuras críticas, esenciales, y/o peligrosas con

contenidos de gran valor, tales como hospitales, colegios, edificios

públicos e industriales, museos, puertos, puentes y aeropuertos, entre

otros, el objetivo de desempeño de la normativa de la FEMA de prevenir

el colapso estructural no es suficiente, ya que se requiere proteger los

contenidos y/o que la estructura continúe operando durante o

inmediatamente después de ocurrido un sismo severo. En algunos

casos, puede ser un requerimiento del propietario o inversionista

alcanzar objetivos de desempeño superiores al de la normativa, tales

como protección de la inversión y/o protección de la operación.

225

Debemos tener presente que vivimos en un país sísmico, quizás dentro

de los más propensos a recibir una actividad telúrica, y no podemos

abstraernos de las posibilidades que nos presentan los sistemas de

protección sísmica que son abordados en este documento. 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.

226

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PLANOS

ESTRUCTURA

AISLADA

Planos 1. Planta de Cimentación Nv+/-0.00

Planos 2. Cimentación – Sub estructura Nv-3.85

PLANOS

ESTRUCTURA

CONVENCIONAL

Planos 3. Cimentación Estructura Convencional Nv-2.50

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR - … · 5.7.2 Procedimiento para diseño de aisladores elastoméricos con núcleo de plomo ... ASCE/SEI 7-10 y los espectros de desplazamiento calculados