7/27/2019 AISLAMIENTOS SSMICOS EN EDIFICIOS SACHA
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AISLAMIENTO SISMICO DE BASE EN EDIFICIOS FISICA II FS 241
AISLAMIENTOS SSMICOS DE BASE EN EDIFICIOS
I. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMA: Evitarprdidasdevidashumanasyaccidentes,quepudieranoriginarsepor la
ocurrencia
de
cualquier
evento
ssmico,
protegiendo
los
servicios
y
bienes
de
la
poblacinduranteelsismo.
Evitar daos en la estructura y en los componentes de la construccin en
sismos de frecuente ocurrencia, o reducirlos al mnimo en los de mediana
intensidad.
Evitarqueen lasconstruccionesseoriginendaosycolapsosqueponganen
peligroa lasvidasde laspersonasoque inutilicenaesasconstruccionesenel
casodesismosseverosoextraordinarios.
Lograr que las construcciones esenciales de servicios de emergencia sigan
funcionando,anensismosdestructivos.
II. OBJETIVOS:El objetivo general es dar a conocer esta innovadora tcnica de aislamientos
ssmicos en edificios que se est usando recientemente con gran acogida y
demandapor los resultadosmuyptimosquesetuvieron frenteaunsismo.Los
objetivosespecficosson:
1) Explicar cmo funcionan las bandas elsticas de aislamiento ssmico en una
estructura.
2) Comprender los fenmenos fsicos que actan en las bandas elsticas y en la
estructuradeledificio.
3) Comosecomportanlasondasssmicas, elperiodoylacortanteen unedificio
sinaislamientossmico yotroconaislamientossmico.4) Realizaruncuadrocomparativodeventajasydesventajasdeunedificio con
aislamientossmico.
5) Un pequeo anlisis p ara la ciudad de Ayacucho si sera bueno su uso en
construcciones.
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III. FUNDAMENTOTERICO:A. FUNDAMENTOFISICO:
EL OSCILADOR ARMNICO.
Movimiento oscilatorio.
Es el de un mvil que pasa cada cierto instante por las mismas posiciones. Se dice que
el mvil ha efectuado una oscilacin cuando se encuentra en la misma posicin que la
de partida y movindose en el mismo sentido.
Podemos definir entonces:
Periodo (T): tiempo que tarda en producirse una oscilacin.
Frecuencia (f): nmero de oscilaciones que se producen cada segundo.
Movimiento oscilatorio armnico.
Si un cuerpo es apartado de su posicin de equilibrio estable, comienzan a actuar sobre
l fuerzas restauradoras que tienden a devolverlo a su estado original de equilibrio.
Si dicha fuerza recuperadora obedece la Ley de Hooke: (es decir: dicha fuerza
es proporcional a la posicin de la partcula y tiende a llevarla hacia una posicin de
equilibrio considerada como x=0), entonces la posicin de la partcula es una funcinsinusoidal del tiempo: decimos que dicha partcula est animada de un movimiento
armnico simple. Y esta posicin se puede escribir:
(I)
x(t)= elongacin: posicin de la partcula respecto de la posicin de equilibrio (x=0).
A: amplitud: mxima elongacin: mxima distancia de la partcula a la posicin de
equilibrio.
: Frecuencia angular:
: Fase
: Fase inicial
A partir de la expresin (I), derivando, podemos obtener las expresiones para la
velocidad y aceleracin de una partcula sometida a este movimiento:
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Adems, es evidente comprobar que (I) es la solucin para el movimiento de una
partcula sometida a una fuerza recuperadora que obedece la Ley de Hooke:
y, como acabamos de ver , por
tanto: , que se cumple siempre que se haya definido .
Relacin entre el movimiento armnico simple y el movimiento circularuniforme.
Supongamos un mvil efectuando un movimiento armnico sobre el eje OX con
amplitud A, mientras otro describe un movimiento circular de radio A. Los dos parten
simultneamente de la misma posicin indicada en la figura y ambos tienen el mismo
periodo:
Para el mvil que describe el movimiento armnico simple, obtendremos:
Para el mvil que describe el movimiento circular uniforme, si nos fijamos en un punto
cualquiera de su trayectoria, vendr definido por un vector posicin r(t):
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Y obtendremos:
Vemos que las componentes X de estas magnitudes coinciden con las propias del
movimiento armnico: el movimiento armnico simple puede considerarse como una
proyeccin de un movimiento circular uniforme sobre un dimetro de la misma
circunferencia.
Energa del oscilador armnico simple.
Las fuerzas restauradoras que obedecen la Ley de Hooke son conservativas, por lo tanto
el trabajo que realizan dichas fuerzas: .
Por otro lado, el trabajo realizado por la fuerza restauradora al desplazar el cuerpo desde
una posicin x hasta la posicin de equilibrio ser:
y tomando referencia de energa potencial 0 en la posicin de equilibrio:
Por otro lado, la energa cintica de esa partcula es: , que si tenemos en
cuenta la expresin de la velocidad en funcin de la posicin ( ,
podremos escribir:
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Con todo esto, la energa mecnica de un oscilador armnico la podemos obtener como
suma de su energa cintica ms su energa potencial:
El pndulo simple.
Supongamos que de un hilo de longitud suspendemos una bolita de masa m, lo
colgamos del techo y lo hacemos oscilar ligeramente respecto a su posicin de
equilibrio:
La fuerza recuperadora (que en cada punto empuja a la bolita hacia la posicin de
equilibrio) es la componente tangencial del peso:
Si el ngulo que forma el hilo con la vertical es muy pequeo:
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En este caso podremos escribir: de donde:
, y como , y obtenemos:
MOVIMIENTO ARMONICO FORZADO
Ecuacin de Movimiento.
Consideremos un sistema Masa-Resorte en el que adems de la fuerza de restitucin del
resorte se tiene la presencia de una fuerza Ff(t) que trata de forzar el movimiento de la
masa. Si la fuerza de forzamiento es una funcin armnica en el tiempo, con frecuencia
angular f, y amplitud F0, de la forma:
La ecuacin de movimiento de la masa, de acuerdo con la Segunda Ley de Newton, es:
Donde m es la masa; a es la aceleracin; k es la constante de elasticidad; y, x la
posicin, considerando que la posicin de equilibrio es el origen de referencia.
Sea 0 la frecuencia natural, con 02 = k/m, entonces la ecuacin de movimiento se
puede escribir como:
Solucin de la Ecuacin de Movimiento.
Sabemos que la posicin en funcin del tiempo dada por
donde C y constantes que se determinan con las condiciones iniciales, es solucin
general de la ecuacin del Movimiento Armnico Simple,
por lo que es parte de la solucin de la ecuacin de movimiento con forzamiento (ec.
2). La otra parte de la solucin debe ser tal que al sustituirla en los trminos de la
izquierda en la ecuacin de movimiento (ec. 2), resulte la funcin armnica de la
derecha de la igualdad; por lo que de manera natural podemos proponer que la segundaparte de la solucin sea de la forma:
,tcosFtF f0f
,matcosFkx f0
.tcosm
Fx
dt
xdf
0202
2
,tcosCtx
01
,0xdt
xd 202
2
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donde B es la constante. Para determinar a la constante B sustituimos la solucin 5 en la
ecuacin 2, obteniendo:
de donde se tiene que el valor de la constante B, para f 0, es:
Entonces la solucin general completa de la ecuacin de movimiento resulta:
Por lo tanto el movimiento en general corresponde a una superposicin de dos
movimientos armnicos que tienen diferente amplitud y diferente frecuencia.
Dependiendo de las condiciones iniciales sern los valores de las constantes C y
La velocidad del movimiento de la masa es:
y la aceleracin es:
Supongamos que las condiciones iniciales son x(0) = x0, y v(0) = v0, entonces al
aplicarlas a las ecuaciones 7 y 8, obtenemos las relaciones:
,tcosBtx f2
,tcosmFtcosB f
0f
20
2f
.
m
FB
2f
20
0
txtxtx 21
.tcosm
FtcosCtx f2
f2
0
00
;tsenm
FtsenCtv f2
f2
0
f000
.tcosm
FtcosCta f2
f2
0
2f0
02
0
,m
FcosCx
2f
20
00
;senCv 00
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de donde se determina el valor de las constantes C y D. Dependiendo de la frecuencia
del forzamiento respecto a la frecuencia natural ser la importancia del valor del
segundo trmino en la relacin 10 comparado con el valor de la posicin inicial x0 para
determinar el valor de la constante C; y, de ah su importancia al comparar los dostrminos de la solucin 7.
Las figuras 1 a 4 muestran las grficas de la posicin (ec. 7) en funcin del tiempo para
distintos valoras de la frecuencia de forzamiento. Los parmetros que son iguales en
todas las grficas son: w0 = 10.0 rad/s; F0 = 10.0 N; m = 1.0 kg; x0 = 1.0 m; y, v0 = 0.0
m/s. Dependiendo de la frecuencia de forzamiento es la forma en que se modula la
amplitud. Si la frecuencia de forzamiento es cercana a la frecuencia natural (figuras 2 y
3), es decir que w02 wf2 es grande, la amplitud del movimiento resultante de lugar a
pulsos o paquetes de oscilaciones, es decir que la amplitud al inicio de estos
paquetes comienza en su valor menor (prcticamente nula en la figura 2), para luegoalcanzar su mximo, y de nuevo volver a su valor menor. Si la frecuencia de
forzamiento no es cercana a la frecuencia natural, es decir que 02 - f2 es pequea,
entonces la variacin en la amplitud se manifiesta en una forma diferente, como se
ilustra en las figuras 1 y 4.
Resonancia.
Para fijar algunas ideas respecto a la amplitud y la importancia relativa de los dos
trminos de la solucin general (ec. 7), consideremos que la velocidad inicial es nula,
por lo que la fase inicial resulta nula (ec. 11), obtenindose a la posicin en funcin del
tiempo, ecuacin 7 con el valor de la constante C dada por la ecuacin 10, como:
Si la diferencia 02 - f2 es grande, la amplitud del primer trmino de la ecuacin 12
tiende a ser igual a x0, y el segundo trmino tender a ser solo una pequea
perturbacin. Por otra parte, si la diferencia 02
- f2
es pequea, entonces x0 esdespreciable en el primer trmino de tal forma que la ecuacin 12 se puede escribir de la
siguiente manera:
Utilizando la identidad trigonomtrica de la diferencia del coseno de dos ngulosdiferentes, se puede transformar la ecuacin para que quede de la forma:
.tcosm
Ftcos
m
Fxtx f2
f2
0
002
f2
0
00
.tcostcosm
Ftx f02
f
2
0
0
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En la ecuacin 13, la constante por la primera de las funciones armnicas tiene una
frecuencia angular muy pequea, por lo que constituye la envolvente o amplitud de la
segunda funcin armnica que tiene una frecuencia aproximadamente igual a w0. La
figura 5 muestra la grfica de la funcin de la posicin en el tiempo (ec. 13), en las
regiones oscuras en realidad se tiene una gran cantidad de oscilaciones (ver las escalas
de tiempo y de posicin).
La figura 6 muestra la amplitud de las oscilaciones, F0/m(w02
wf2
), en funcin de lafrecuencia angular fconsiderando que x0 = 0.0 m, y v0 = 0.0 m/s.
. Grafica dela amplitud en funcin de la frecuencia angular f.
Superposicin de dos (MAS) de la misma direccin y de distinta frecuencia.
Ahora vamos a aplicar el mismo procedimiento para obtener la amplitud resultante dela composicin de dos (MAS) de la misma direccin pero de distinta frecuencia.
Descripcin
Supongamos dos MAS de distinta frecuencia angular y con la misma fase inicial
x1=A1sen(w1t)
x2=A2sen(w2t)
.t
2sent
2sen
m
F2tx f0f0
2f
20
0
0 5 10 15 20
Frecuencia wfHradsL0.250.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
dutilp
mA
B
m
0 5 10 15 20
Frecuencia wfHradsL0.250.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
dutilpmA
m
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De acuerdo con la interpretacin geomtrica de un MAS.
El primer (MAS) es la proyeccin sobre el eje X de un vector de longitud A1 que
gira con velocidad angular w1.
El segundo (MAS) es la proyeccin sobre el eje X de un vector de longitud A2
que gira con velocidad angular w2. El MAS resultante es la proyeccin sobre el eje X del vector suma vectorial de
los dos vectores.
De forma vectorial lo expresamos como
El mdulo del vector resultante no tiene una longitud constante
su valor mximo es A1+A2 y su valor mnimo es A1-A2 . Se dice entonces que la
amplitud es modulada
Cuando las amplitudes A1=A2 podemos expresar de forma ms simple el MAS resultante
x= x1+ x2=A1sen( 1t)+A1sen( 2t)
Esta ecuacin nos dice que se trata de un MAS de frecuencia angular ( 1+ 2)/2 y de amplitud
En la figura, en color rojo se muestra la amplitud modulada A y en color azul el resultado x de
la composicin de los dos (MA).
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B. FUNDAMENTOSTERICOS DEAPLICACINA LAINGENIERAAISLAMIENTOS SSMICOS DE BASE EN EDIFICIOS
Quesunsismo,oterremoto?Los sismossonvibracionesdelatierra,causadasporelfracturamientoen
profundidaddelasrocassometidasapermanentesycontinuosesfuerzos,quese
acumulanmsalldesu lmiteelstico,hastaromperseycausarundesplazamiento
sbitodelarocaquelavuelveelsticamenteasuformaoriginal(elsaltoatrsdelas
rocasfuedenominado"rebote elstico").Eltrminosismovienedel griegosesmos(= agitacin),yeltrminoterremoto,de
losvocabloslatinostierraymotus(= movimientode tierra).
Quesonlasondasssmicas?Elgolpeterrestre,provocadoporlarupturaymovimientosbitodelasrocas,genera
ondas ssmicas en todas direcciones, que transmiten el movimiento o temblor de
tierra.
Elpunto
dnde
se
inicia
la
ruptura
se
denomina
foco
ohipocentro,
yel
punto
en
la
superficieterrestre,directamenteencimadelfoco,eselepicentrodelsismo.
Las ondasssmicassondetres tipos:
(1) Ondas primarias o longitudinales (ondas p), (2) ondas secundarias o
transversales(ondas s),y(3)ondassuperficialesolargas(ondasl).
En las ondas longitudinales las partculas se mueven en la misma direccin de
propagacin de la onda, comprimiendo y expandiendo sucesivamente la roca. Las
ondas transversales en cambio, sacuden" las partculas en ngulos rectos a la
direccinen
que
viajan.
Finalmente,
en
las
ondas
superficiales
el
movimiento
de
las
partculasesalgomscomplejo(circular),yamedidaqueviajan a lo largodelsuelo,
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hacenquesemuevasteytodo loqueestsobrel,demaneraparecidaacomoel
oleajeocenicoempujaunbarco.
Los tres tiposdeondasssmicasviajanavelocidadesdiferentes, inclusoenelmismo
medio.Lasmsveloces enpropagarseson lasondaslongitudinales,ylasms lentas
sonlasondassuperficiales.
Resonancia
Los movimientos, y por lo tanto los esfuerzos a que se ven sometidas las distintas
partes, dependen, entre otras, de las caractersticas de la onda ssmica, y de las
frecuencias naturales de oscilacin del edificio.
El edificio tender a oscilar segn sus frecuencias propias de oscilacin, que si no
coinciden con algn armnico de los principales que forman la onda ssmica no
aumentar en cada oscilacin, pero en el caso de que coincidan, se produce el
fenmeno de resonancia.
Cuando el sesmo posee un armnico de amplitud considerable que coincide con una
frecuencia de oscilacin natural de edificio (o perodo fundamental), ste entra en
resonancia, y la aceleracin crece en cada periodo, por lo que irremediablemente ser
destruido, a menos que el sesmo cese rpidamente, o que la ruptura de algunas de
las partes del edificio varen su frecuencia natural de oscilacin, o que el rozamiento
interno de los materiales sea suficiente como para disipar la energa.
En teora es posible estudiar la respuesta de un edificio ante un sesmo, a partir de un
acelerograma (esquema terico del sesmo). La construccin resistir si todas sus
partes consiguen responder a los movimientos coherentemente, ya sea
trasladndose juntas, o girando alrededor de los mismos ejes en cada instante. Para
esto se supone que los distintos nudos no pueden variar su distancia, pues los
elementos que forman la estructura no pueden ni alargarse ni acortarse.
Cuando se quiere que una construccin resista sismos fuertes, se disea especialmente
para ello. Por ejemplo es necesario que los hospitales sigan en pie despus de un
terremoto.
Suele dar la impresin de que los edificios altos, sobre todo si son de similar
construccin van a sucumbir antes en un sesmo. Esto suele ser cierto, pues adems
los edificios altos tienen mayor periodo de oscilacin. Sin embargo esto depende delos armnicos de resonancia del sesmo y del edificio, por lo que en general puede ser
bastante arbitrario.
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Figura 2. Este edificio, tenia dos zonas con dos alturas distintas, como puede
apreciarse en las ventanas de la ltima planta. Curiosamente, la zona ms elevada ha
resistido, aunque esto no suele ser as. Quizs su frecuencia de resonancia no haya
coincidido con la del sesmo, mientras que en la otra parte s.
ACCIONESSISMICASLaaccinde lossismossobre losedificiosyelcomportamientodestosfrenteauna
solicitacin de tal naturaleza es compleja. Aunque se ha adelantado mucho al
respecto, especialmente en algunos pases, an queda mucho por estudiar y
experimentar.Ademsexistendiferenciasen losrecursostecnolgicos,econmicosy
naturalesentre
las
diferentes
naciones,
yan
entre
distintas
regiones
de
un
mismo
estado.
En losltimos10aosenciudades importantesanivelmundialsehandadosismos
catastrficosquehanprovocadolamuertedemsde100,000personas.Enlamayora
de los casos las fallas sehandebidoaproblemasdemalacalidadde losmateriales
utilizados en la construccin, ausencia o deficiencias en el diseo estructural o
composicinarquitectnicainadecuada.
Granpartedelasconstruccionesexistentesenzonasssmicasnosecienauncriterio
de diseo adecuado que las haga razonablemente seguras en caso de terremotos.
Contandosloconconocimientosrudimentariosyeldeseodeaumentarlaseguridad
ssmica,
muchas
veces
las
obras
se
han
encarecido
exageradamente
y
hasta
se
han
sobredimensionadoelementosqueconsuexcesivopesocontribuyenalderrumbede
la estructura. O bien a la inversa, haciendo caso omiso del efecto ssmico, se
construyenedificios incapacesdemantenerseenpieanante lapresenciadesismos
dbiles.
Por lo tanto, para evitar que los terremotos devengan en catstrofes, es necesario
disminuir la vulnerabilidad de las construcciones, lo que se logra mediante el
desarrollo, actualizacin permanente y aplicacin efectiva de reglamentos para
construccionessismoresistentes.
Esporestoqueen1972secreaelInstitutoNacionaldePrevencinSsmica(INPRES),
que en 1983 crea el Reglamento Argentino para Construcciones Sismo resistentes
(CIRSOC103).
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Interesa fundamentalmente el aspecto preventivo de esta norma, que tiene los
siguientesobjetivos:
Evitarprdidasdevidashumanasyaccidentes,quepudieranoriginarsepor la
ocurrenciadecualquiereventossmico,protegiendolosserviciosybienesdela
poblacindurante
el
sismo.
Evitar daos en la estructura y en los componentes de la construccin en
sismos de frecuente ocurrencia, o reducirlos al mnimo en los de mediana
intensidad.
Evitarqueen lasconstruccionesseoriginendaosycolapsosqueponganen
peligroa lasvidasde laspersonasoque inutilicenaesasconstruccionesenel
casodesismosseverosoextraordinarios.
Lograr que las construcciones esenciales de servicios de emergencia sigan
funcionando,anensismosdestructivos.
SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL ANTE SISMO
Durante la ltima dcada el concepto de aislacin ssmica ha comenzado a ser
considerado seriamente como una alternativa en el diseo sismo resistente de
estructuras, especialmente en aquellos casos en que se busca un mejor desempeo
ssmico para las estructuras y sus contenidos
.El excelente desempeo que las estructuras aisladas han tenido durante los Sismos de
Northridge (Los Angeles, 1994) y Kobe (Kobe, 1995), avalan las bondades de esta
alternativa en cuanto a aumentar considerablemente el nivel de seguridad para las
personas y la operabilidad de la estructura despus de un sismo.
Actualmente, los conceptos de aislacin ssmica se ensean como parte del currculo de
Ingeniera Civil en la mayora de las Universidades mundialmente reconocidas,
Innumerables investigaciones se han desarrollado para demostrar la eficiencia de la
aislacin ssmica como una tcnica sismo resistente, y numerosos dispositivos de
aislacin estn comercialmente disponibles para su implementacin en la prctica.
Consecuentemente, se ha desarrollado una creciente necesidad de suplementar los
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cdigos ssmicos actualmente vigentes con requerimientos especficos para estructuras
aisladas.
Esta necesidad es compartida por los organismos encargados de la construccin y el
pblico en general, quienes requieren que esta tecnologa sea implementada
adecuadamente, y por los ingenieros proyectistas, los que requieren un estndar mnimopara el diseo y construccin de estructuras con esta tecnologa.
Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a
que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el
libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura.
Esto permiti la sustitucin de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer
intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la
Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un mtodo suizo
denominado Aislamiento total de la base en tres direcciones utilizando vigas de
caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empez la experimentacin,implementacin y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japn y Nueva Zelanda
principalmente.
ssmica empleados en la actualidad comprenden desde relativamente simples
dispositivos de control pasivo hasta avanzados sistemas completamente activos. Los
sistemas pasivos son tal vez los ms conocidos e incluyen los sistemas de aislamiento
ssmico y los sistemas mecnicos de disipacin de energa. El aislamiento ssmico es el
sistema ms desarrollado de la familia, con continuos avances en dispositivos,
aplicaciones y especificaciones de diseo. Los sistemas de proteccin ssmica pueden
ser clasificados en cuatro categoras: sistemas pasivos, activos, hbridos y semi-activos.
Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a
que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el
libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura.
Esto permiti la sustitucin de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer
intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la
Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un mtodo suizo
denominado Aislamiento total de la base en tres direcciones utilizando vigas de
caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empez la experimentacin,
implementacin y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japn y Nueva Zelandaprincipalmente.
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AISLAMIENTO SSMICO DE BASE EN EDIFICIOS:
Elobjetivodelaislamientosmicoesdesacoplar laestructurade losmovimientosde
suelo frente a la ocurrencia de terremotos. En consecuencia se evita que la
Superestructurasealaresponsablededisiparlaenergaentregadaporelterremoto.
Latotalidadde laestructuradebesersoportadaenpuntosdiscretospordispositivos
especiales llamadosaisladores, loscualesposeencaractersticasdinmicasespeciales
paradesacoplarlaestructuradelosmovimientosdelterreno.
Losdesplazamientosmximosy lasno linealidadesseconcentrananiveldelsistema
deaislamiento,
mientras
que
la
superestructura
se
comporta
como
un
bloque
rgido
por encima del mismo. Los aisladores pueden ser diseados y construidos con un
control de calidad que supera ampliamente los estndares habituales de la
construccin civil, con la ventaja que pueden ser inspeccionados y eventualmente
reemplazadoscomoundispositivoderepuesto.Porelcontrario lareparacinde los
elementosdaadosdeunaestructuranoresultaunatarea
tansimple.
La aceptable experiencia lograda en edificios con aislamiento de base frente a
terremotos importantes, como fue Northridge (1994) y Kobe (1995), pusieron de
manifiestola
posibilidad
de
implementarse
con
xito
en
zonas
de
elevado
riesgo
ssmico1.
La densidad de instrumental ssmico, fundamentalmente en la costa oeste de los
EstadosUnidos,hapermitidoen losltimosaoscontarconunnmero importantes
deregistrosenemplazamientoscercanosalafalla.Estosregistroshanpuestoenduda
laeficienciade lossistemasdeaislamientoparaconstruccionesemplazadasenzonas
prximasalafalla.
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OBJETIVOSDEAISLAMIENTOSISMICO: Reducirlasdistorsionesdeentrepisoyporlotantoeldaoenloscomponentes
estructuralesynoestructurales.
Reducirla
aceleracin
de
entrepiso
en
la
estructura,
para
minimizar
el
dao
en
loscomponentesdelaestructura(Equipoelctrico,computadoras,archivos,
etc.)
ElAislamientoSsmicobuscalimitarelefectonegativodelsismointerponiendo
elementosespecialesenlabasedelaestructuratalesquepuedanabsorberla
accindelsismoyalmismosoportarelpesodelaestructura.
PARTES DE UN AISLADOR SSMICO:
Rellenodeplomo
Lminasdegoma
Lminasdeacero
Pernodeanclajesuperior
Placadeanclajesuperior
Placadeanclajeinferior
ELEMENTOSDELSISTEMADEAISLAMIENTO Unelementoquedesacoplelaestructuradesubase.
Flexibilidadlateralquepermitaelevarelperiododelaestructuraanteniveles
altosdecargaslaterales.
Rigidezantenivelesdecargapequeostalescomovientoosismosmenores.
Suficienteamortiguamientoparareducireldesplazamientodelnivelde
aislamiento.
Rigidezante
cargas
verticales.
Mecanismoderestauracindelaposicinoriginaldelsistema.
Elastmero
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ESQUEMADEUNEDIFICIOAISLADO
QUEPROPORCIONAUNEDIFCIOCONAISLAMIENTOSSISMICOUnsistemadeaislamientoenlabaseparaunaedificacindebededotaraestade:
.Flexibilidadparaaumentarperododevibracinyportanto,reducirlafuerzaderespuestassmica.
.Capacidaddedisipacindeenergaparareducirlosdesplazamientosproducidosporsismoloscualesestndirectamenterelacionadosconeldaoenunedificio.
.Rigidezparanivelesbajosdecarga,comolosonlasfuerzasdevientoysismosdemenorimportancia.Laestrategiadediseodeunaedificacincon
unsistemadeaislamientoenlabasetieneporobjetivoaumentarelperiodo
fundamentaldevibracindelaestructuraydisiparlaenergadedeformacinde
forma
pasiva
a
travs
del
amortiguamiento
con
la
finalidad
de:
.Reducirdelasaceleracionesssmicasyporendelasfuerzasssmicasdediseo.
.Reducirlasdeformacionesdeentrepisoeneledificiodebidoasismo.
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CMO FUNCIONA EL AISLAMIENTO SSMICO DE BASE:
Laestrategiadediseodeunaedificacinconunsistemadeaislamientoenlabasetienepor
objetivoaumentarelperiodofundamentaldevibracindelaestructuraydisiparlaenergade
deformacinde
forma
pasiva
atravs
del
amortiguamiento
con
la
finalidad
de:
Reducirdelasaceleracionesssmicasyporendelasfuerzasssmicasdediseo.
Reducirlasdeformacionesdeentrepisoeneledificiodebidoasismo.
Elaislamientossmicoseparamedianteunainterfazflexiblelaestructuradelsuelo. Desacoplarlaestructuradelosmovimientosdelterreno.
Estoselementosestructuralessondispositivosqueabsorbenmediantedeformaciones
elevadaslaenergaqueunterremototransmiteaunaestructura.
Al deformarse las bandas elsticas absorben la mayor cantidad posible deenerga.
Las bandas elsticas hacen que se amplen el periodo de oscilacin
disminuyendo as la intensidad del sismo.
Las bandas elsticas estn diseadas para aguantar de forma rgida para
pequeos sismos.
COMPORTAMIENTODEUNEDIFICIOSINAISLAMIENTOSSMICODEBASEYOTROCONAISLAMIENTO:
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Comosepuedeobservarenlaimageneledificioquenocuentaconaislamiento
ssmicoeselquemsdaosestructuralesrecibepueslavibracinamedidaque
aumentanlospisostambinaumentaesta;perosinembargopodemosapreciarqueel
edificioqueestaconelsistemadeaislamientossmiconoseveafectadoporquelo
nicoquevamoviendooqueabsorbelasondassonlasbandaselsticassinsufrir
daosnotoriosensuestructuranilaspersonasquesehallandentrodeledificio.
ANLISISDEVENTAJASYDESVENTAJASDEUNEDIFICIOAISLADO:VENTAJAS
1. Evita que haya daos en la estructura del edificio as como de las personas que hallan ensu interior.
2. Las construcciones son ms seguras y menos vulnerables a sismos o terremotos.3. Posibilita que los hospitales colegios y otras entidades no paralicen sus labores cuando
estn frente a un sismo y que solo se detengan para hacer un cambio de energa de laalimentacin de los servicios elctricos y otros.
4. Posibilita que la estructura del edificio tenga un mayor periodo de vida til.5. Las bandas elsticas son fciles de ser cambiadas y tienen un buen periodo de vida til.6. A largo plazo el edificio resulta ser ms econmico y seguro pues no habr necesidad dehacer reparaciones por problemas ssmicos.7. Hacequelossuelosblandossevuelvanmsfuertes.
DESVENTAJAS1. Su alta efectividad es para edificios menores de 15 pisos. Pues para edificios ms altos ya
necesita de otros sistemas como los disipadores de energa.2. En pas emergente o subdesarrollado es muy difcil su aplicabilidad porque no hay
muchos profesionales capacitados en el tema as como los materiales para poderrealizarlo.
3. Para su realizacin los profesionales devn ser con un alto grado de instruccin en eltema.
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Comopodemosverelsistemadeaislamientosssmicosresultamuybeneficiosolas
desventajassonbsicamentedeinstruccinocapacitacinascomolaadquisicinde
materiales.
APLICACIONESDELAISLAMIENTOSISMICOYRESULTADOS PrimeraaplicacinenNuevaZelandaen1974.
PrimeraaplicacinenEEUUen1984.
PrimeraaplicacinJaponesaen1985.
EEUU 80edificiosy150puentes.
Japnmsde1300edificiosy500puentes.
80edificiosy150puentes.
Japnmsde1300edificiosy500puentes.
La aceptable experiencia lograda en edificios con aislamiento de base frente a terremotos
importantes,comofueNorthridge(1994)yKobe(1995),pusierondemanifiestolaposibilidad
deimplementarse
con
xito
en
zonas
de
elevado
riesgo
ssmico
1.
BREVERESUMENHISTRICODELAAISLACINSSMICAENELMUNDOEramodernacomienzaenNuevaZelandaen1970.
PrimeraaplicacinenJapnesde1982(casapequea).
PrimeraaplicacinenEEUUesde1985(SanBernardino).
Antesde1995existan85edificiosaisladosenJapn,35deloscualeserandepropiedadde
constructoras,centros
de
investigacin,
ode
fabricantes
de
aisladores.
DuranteKobe(1995),dosestructurasaisladassoportaronelmovimientossmicosin
problemas(MatsumuraGumi,WJPSCC).
DuranteNorthridge(1994),cincoestructurasfueronsometidasamovimientossignificativos
(p.e.,USC,FCC).
PREGUNTAS FRECUENTES SOBRE AISLACIN SSMICA
1.Quseentiendeporaislacinssmica?Aislacinssmicaesunatcnicadediseosismoresistentequebuscareducirlaenergaque
entraauna
estructura
durante
un
sismo
atravs
de
colocar
dispositivos
muy
flexibles
horizontalmente(aisladores)entrelasfundacionesdeunedificioopuente,ylaestructura
arribadeellos.Elefectoquesebuscaesqueelsuelosemuevaylaestructurapermanezca
esencialmentequieta.
2.Culeselobjetivodelaislamientossmico?Losobjetivosprincipalessondos:(a)mayorseguridadssmicadelaestructura(yporendede
laspersonas)atravsdelaminimizacinoinclusoeliminacindedaosenella,y(b)
salvaguardarloscontenidosdelaestructuramanteniendoelfuncionamientodeelladespus
delsismo.
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3.Cuntomsseguraesunaestructuraaisladassmicamente?Engeneralunaestructuraaisladaesalmenos5vecesmsseguraqueunaestructura
convencionalfijaalsuelo.Dehecho,losesfuerzosproducidosporelsismoenlaestructuracon
aislacinssmicasondelordende10vecesmspequeosquelosdeunaestructuraanloga
fijaalsuelo.Estareduccindeesfuerzoseslaqueimplicaquelaestructurapermanecersin
dao
incluso
durante
un
sismo
de
grandes
proporciones.
4.Enqusediferenciaestanuevatcnicadeldiseoactualdeestructurasantissmicas?ElconceptodeestructuraantissmicanoescorrectoporquecualquieredificioenChile
(ycualquierotropasssmico)estdiseadoporrazonesdecostoparaquesufradaoanteun
sismosevero.Lafilosofadediseodicequenodebecolapsar,peropuedequedarseriamente
daado.Paracomprobarquelosdaossonextensos,yqueademslaseguridadnoquedaen
realidadgarantizada,bastaobservarloocurridoconlosedificiosdeLosAngeles(Northridge,
1994),Japn(Kobe1995),Turqua(1999),Grecia(1999),yTaiwn(1999).Unedificio
convencionalnocompiteenseguridadconunoaislado,ymuchomenosencostode
siniestralidad.
6.Porqunoexistenmsedificioenpasessubdesarrolladoconaislamientossmicasilatcnicaestnatractiva?Laraznprincipalesunretrasoeneldesarrollotecnolgico.Edificiosconaislamiento
Ssmicasoncomunesenpasesdesarrolladosyexperimentaronuncomportamientomuy
exitosodurantelosdevastadoresterremotosdeKobeyNorthridge.SloenJapnse
construyeronmsde80hospitalesy400edificiosconaislamientossmicaentre1997y1998.
Sinembargo,eldiseodeestructurasconaislamientossmicarequierede.Tambinincideel
desconocimientoyeltemoralcambioporpartedelospotencialesusuarios.
7.Dndesefabricanlosdispositivosdeaislacin?Existennumerososproveedoresdeaisladoresssmicosenelmundoentrelosquese
encuentranBridgestone(Japn),Andr(Inglaterra),SkellerupOiles(NuevaZelandia),DIS
(EstadosUnidos),yVULCO(Chile).
8.Culeselcostodelsistemadeaislamientossmico?Elcostodelsistemadeaislamientoestpicamentedelordende0.5a1.0UF/m2,dependiendo
delasolucinadoptada.Estecostosecompensavariasvecessienelanlisiseconmicose
consideraqueenlaalternativasinaislacinlaestructura,loselementosnoestructurales(las
terminaciones),yloscontenidos,afrontarnelevadoscostosdereparacinosustitucin
cuandoocurrasismodegranintensidadqueconcasicertezavanaexperimentar.Es
importanterecordarqueenlosedificioselcostolasterminacionessuperaaldelaestructura,y
queenmuchoscasoselvalordeloscontenidosesmuysuperioraldelaestructura.Porotra
parte,elhechoquelaestructuratengaesfuerzos10vecesmenorespuedellegarapermitir
ahorroencostosdirectosdeconstruccin;lograrlodependeengranmedidadeuna
coordinacinoportunaentrelaArquitecturaeIngenieradelproyecto.
9.Quocurreconlosductosdeinstalacionesquecruzanelniveldeaislacin?Existennumerosassolucionesdeconexionesflexibles(muysencillasybaratastalescomoun
doblecodo)quepermitenacomodarlasdeformacionesentreelsueloyeledificio.
10.Culesladuracindelossistemasdeaislacin?Losaisladoresestngarantizadosporunavidatilde50aosmnimos.Eldiseosehace
proveyendoalosaisladoresdeunafijacinquelespermiteserfcilmenteremovidosycambiadosencualquiermomentosininterrumpirelfuncionamientodeledificio.
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11.Cmoseverificalacalidaddelosaisladores?Losaisladoressonensayadosenformadinmicaunoaunoantesdesercolocadosenel
edificio.Estosensayossonextraordinariamenteexigentesypermitengarantizarlas
propiedadesderigidezyamortiguamientodelosaisladores.
IV. ANLISISINTERPRETACINFSICADELFENMENOPLANTEADO:1) Cmofuncionanlasbandaselsticasdeaislamientossmicoenuna
estructuraalproducirseunsismo?Laestrategiadediseodeunaedificacinconunsistemadeaislamientoenlabasetienepor
objetivoaumentarelperiodofundamentaldevibracindelaestructuraydisiparlaenergade
deformacindeformapasivaatravsdelamortiguamientoconlafinalidadde:
Reducirde
las
aceleraciones
ssmicas
ypor
ende
las
fuerzas
ssmicas
de
diseo.
Reducirlasdeformacionesdeentrepisoeneledificiodebidoasismo.
Elaislamientossmicoseparamedianteunainterfazflexiblelaestructuradelsuelo. Desacoplarlaestructuradelosmovimientosdelterreno.
Estoselementosestructuralessondispositivosqueabsorbenmediantedeformaciones
elevadaslaenergaqueunterremototransmiteaunaestructura.
Al deformarse las bandas elsticas absorben la mayor cantidad posible de
energa.
Las bandas elsticas hacen que se amplen el periodo de oscilacin
disminuyendo as la intensidad del sismo.
Las bandas elsticas estn diseadas para aguantar de forma rgida para
pequeos sismos.
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2) Comprender los fenmenos fsicos que actan en las bandas elsticas yen la estructura del edificio.
Losaisladoresquedanidentificadospordistintosparmetrosmecnicos.
Larigidezhorizontaldelmismopuedeestimarseconlaexpresin.
Elperiododelsistemaaisladoestenfuncindelarigidezlateraltotaldel
Conjunto.
Larigidezverticaldelaisladorpuedeestimarsecon:
Conocida
la
rigidez
vertical
del
aislador
puede
estimarse
las
tensiones
normales
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(c)ydeformaciones(c)delaisladorlascualesdebenencontrarsedebajodelmites
fijadosporlosreglamentos.Lastensionesenlasplacasdeaceroseverificanconla
ecuacin:
Paralasdeformacionesultimasseaceptanvaloresentre(500 600%)
Paracontrolarlaesbeltezdelaisladorserealizandosverificaciones.Laprimeraesla
verificacinalvuelcodelaisladorqueserealizaatravsdeundesplazamiento lateral
(ro):
3) Comosecomportanlasondasssmicas, elperiodoylacortanteen unedificiosinaislamientossmico yotroconaislamientossmico.
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Podemosapreciarquelasondasssmicasamedidaquevaaumentandolospisosestas
tambinaumentandeformaproporcionalenunedificiosinaislamientossmico;pero
enelotroedificioconaislamientossmicolasondastransmitidasalaestructurason
mnimasynisedejansentir.
Las bandas elsticas hacen que se amplen el periodo de oscilacin
disminuyendo as la intensidad del sismo.
Estoselementosestructuralessondispositivosqueabsorbenmediantedeformaciones
elevadaslaenergaqueunterremototransmiteaunaestructuradeestemodo
disminuyendosu
cortante.
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Reducirlasdeformacionesdeentrepisoeneledificiodebidoasismo.
Elaislamientossmicoseparamedianteunainterfazflexiblelaestructuradelsuelo. Desacoplarlaestructuradelosmovimientosdelterrenohaciendoquelosterrenos
blandosseanmsestables.
4) Cuadrodeventajasydesventajas conaislamientossmicoVENTAJAS
1) Evita que haya daos en la estructura del edificio as como de las personas que hallan ensu interior.
2) Las construcciones son ms seguras y menos vulnerables a sismos o terremotos.3) Posibilita que los hospitales colegios y otras entidades no paralicen sus labores cuandoestn frente a un sismo y que solo se detengan para hacer un cambio de energa de laalimentacin de los servicios elctricos y otros.
4) Posibilita que la estructura del edificio tenga un mayor periodo de vida til.5) Las bandas elsticas son fciles de ser cambiadas y tienen un buen periodo de vida til.6) A largo plazo el edificio resulta ser ms econmico y seguro pues no habr necesidad de
hacer reparaciones por problemas ssmicos.7) Hacequelossuelosblandossevuelvanmsfuertes.
DESVENTAJAS1) Su alta efectividad es para edificios menores de 15 pisos. Pues para edificios ms altos
ya necesita de otros sistemas como los disipadores de energa.2) En pas emergente o subdesarrollado es muy difcil su aplicabilidad porque no hay
muchos profesionales capacitados en el tema as como los materiales para poderrealizarlo.
3) Para su realizacin los profesionales devn ser con un alto grado de instruccin en eltema.
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5) SeraposibleaplicarestesistemaenAyacucho?Por el momento aplicar este sistema en Ayacucho no sera posible pues recin se est
aplicando en la capital (lima), y no contamos con muchos profesionales capacitados en el
tema ascomotampocotenemoslossuficientesrecursosparapodertraerprofesionalesque
conozcandel
tema;
tambin
no
se
podra
justificar
el
presupuesto
para
alguna
construccin
resultarasermuycostosoporelmomento.
V. CONCLUSIONES: La tcnica de aislamiento ssmico de base es la ms recomendada en la
ingenierassmicayunadelasmsefectivasfrenteaunsismooterremoto.
En edificaciones esenciales que deben de seguir operando despus de la
ocurrencia de un sismo, tales como hospitales, colegios, tanques con
contenidosdealtopeligro,etc.
Evitanprdidas
de
vidas
humanas
yaccidentes,
que
pudieran
originarse
por
la
ocurrenciadecualquiereventossmico,protegiendolosserviciosybienesdela
poblacinduranteelsismo.
Evitanqueen lasconstruccionesseoriginendaosycolapsosqueponganen
peligroa lasvidasde laspersonasoque inutilicenaesasconstruccionesenel
casodesismosseverosoextraordinarios.
Unaestructuraqueestsometidaaunsismosepodraexplicarsumovimiento
desubasecomoun(MAS).
Lasecuacionesdel(MAS)sonaplicablesaestructurasafectadasporlossismos
pudiendo comprender as a que se debe el efecto devastador y a que
parmetrosesta
sujeta.
VI. APRECIACIONESCRTICA: Esunamaravillosatcnicaquesedeberaprestarmayorintersporlosestudiantesde
carrerasdelaingenierarelacionadasaestostemascomoloeslaing.Civilyquelos
profesionalesingenierosdeverancapacitarseenestatcnicaparaqueenunfuturo
nomuylejanosepuedaaplicarennuestropas.
Quesedebencrearnormasparaquelosserviciosindispensables comolosonlos
hospitalessean
construidos
con
este
sistema
para
que
no
dejen
de
funcionar
en
caso
deocurrirunterremotopuesesalldondeloshospitalestienenunpapelmuy
importanteparapoderatenderalosheridosproductodelterremoto.
Aqupodemosverquelafsicavadelamanoconlaingenierapueselfenmenoque
ocurreenlosedificioscuandoocurreunterremotosepuedeexplicarapartirdel
movimientoarmnicosimple(MAS).
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Universidad Nacional de San Cristbal de Huam anga - UN SCH 2012SeraposibleaplicarestesistemaenAyacucho?Por el momento aplicar este sistema en Ayacucho no sera posible pues recin se est
aplicando en la capital (lima), y no contamos con muchos profesionales capacitados en el
tema ascomotampocotenemoslossuficientesrecursosparapodertraerprofesionalesque
conozcandel
tema;
tambin
no
se
podra
justificar
el
presupuesto
para
alguna
construccin
resultarasermuycostosoporelmomento.
VII. IMPACTOAMBIENTAL: Laspreocupacionesactuales,acercadel cambio climticohan supuestoque,hoyen
da,existaunademandacrecientedeconsumodeproductosyserviciosquecumplan
conloscriteriosmedioambientales,socialesyeconmicosdelasostenibilidad.
Actualmente, en Europa, tanto las viviendas como los edificios pblicos son los
mayoresconsumidoresdeenerga(un40%)y,portanto,losmayoresemisoresdeCO2
(36%).Estosignificaqueelsectorde laconstruccintieneunpapelfundamentalque
jugaren
el
ahorro
de
energa
y,
en
consecuencia,
en
la
reduccin
de
las
emisiones
del
dixidode carbono.Dehecho, laUninEuropea lo considera comoun sector clave
paracontribuirpositivamenteaquesecumplan losobjetivosde2020con losquese
pretendereducirlasemisionesdegasesdeefectoinvernaderoconrespectoa1990en
un 20%, alcanzar un 20% de uso de energas renovables, y mejorar la eficiencia
energticaenun20%.
Esporelloconlosedificiosdeaislacinssmicasevanpoderrealizarelbajoconsumo
de energa y losproblemasde fallas energticas por sismos sernmnimasdeeste
modo contribuyendo a ladisminucindeCO2 asmismo supropia vibracinde las
bandaselsticasadaptadosaunsistemapuedenconvertir lasoscilacionesenenerga
elctrica.
Elimpacto
ambiental
que
tiene
este
sistema
es
las
ms
sofisticados
ymejorado
que
los
anterioressepodradecirqueesunpasomseneldesarrollo.
VIII. BIBLIOGRAFA: Fsica II, Humberto Leyva Naveros, Editorial Moshera, segunda edicin.
Fisica I, Serway Raymond, Editorial Mc Graw Hill,Quinta edicin.
Fsica Aplicada y Experimental, Guilln Caldern Edder, Editorial Amrica,
Tercera edicin
Aislacin Ssmica.www.cec.uchile.cl www.monografas.com
Aislamiento ssmico - Wikipedia, la enciclopedia libre
estado del arte en el aislamiento ssmico y sus principales aplicaciones
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Disean viviendas antissmicas con material reciclado El Informador
Estudio comparativo de edificios con aislamiento ssmico en la base