Ii 28 h V u m 6 a y T M

¿ =Puede el concreto hacer frente a los sisrnos? Ingeniero Federico Cana Tamez

El rápido crecimiento de la pobla-

Después del terremoto de 1985, el empleo del concreto se ha reducido en la

denominada Zona del Lago de la ciudad de México. Sin embargo, este estu-

dio demueatra que su utilización en estructuras de mediana altura podría

ser aceptable y hasta ventajosa cuando fuera acompañada de un sistema

de aislamiento basado en la acción pendular: el sistema GT-BIS de aisla-

miento sismico.

ci6n en ciudades ubicadas en zo- nas Sismicas propició que se incre-

mentara en las mismas la

construcci6n de edificios de baja y

mediana altura Muchos de estos

edificios, supuestamente prepara-

dos para resistir los efectos de los

temblores, han sido dañados o

destruidos por sismos ocurridos en

las últimas décadas

En la mayor parte de los edifi-

cios fijos en su base, la reducci6n

de las fuerzas cortantes sismicas se ha apoyado en la disipaci6n

histerética de energía, disipacdn

t basada en la ductilidad de los miem-

bros de la estructura y en la forma-

ci6n en &os de articulaciones plds-

ticas Sin embargo, cuando se

presentan tales condiciones, la es- tructura sufre en muchos casos da-

ños apreciables. por lo regular mas

severos si en la misma se ha utiliza-

do concreto Ademds, se presenta

otra importante consecuencia los

usualmente grandes desplazamien-

tos horizontales relatm entre pisos

consecutwos dañan tambtén a los

elementosnoestructuraksypwden

provocar pánico entre los morado-

res de los edificios

Una alternativa para reducir los

efectos de los temblores es el em-

pleo de sistemas de control estruc-

tural Entre los conocidos como sis-

temas de aislamiento de base, los

que se emplean con mds frecuen-

cia son aquellos que utilizan como

aisladores dispositivos compuestos

por capas de hule o de neopreno.

El autor de este articulo ide6 hace

tiempo un sistema de aislamiento

que, complementado y petfeccio-

nado en los últimos años, se ha de- nominado GT-BIS. Se compone de varm elementos, que en las figu-

ras 1 y 2 se muestran en una de las varias formas en que se pueden

aplicar en un edificio, a saber a)

atsladms basadosen la acci6n pen-

dular; b) disposctivos especiales de

amortiguamiento hidráulico disena-

dos de manera de poder regular a

voluntad la fuerza de oposicdn al

desplazamiento relativo y, en caso

necesario, evitar el giro relativo de

la estructura aislada; c) elementos

mecánicos que pueden utilizarse

cuando en los aisladores se em-

plean cables. con los que se puede

regular la longitud libre de dichos

cables en los casos en que haya

necesidad de anular los efectos de los asentamientos relativos de la ci- mentacdn, d) un perno restrictor

de despbzamientos, que se utiliza-

ria solamente en los casos en que

se esperase un alto desplazamien-

to relatnro de los asladores ocasio-

nado por las fuerzas de viento (este

perno libera automáticamente la

estructura al iniciarse un sismo)

0

El Departamento de Ingenieria Ci-

vil de la Univenidad de Illinoa efec-

tu6 un estudio del sistema GT-BIS

en la mesa vibratoria de los labo-

ratorios de lnvestigaci6n de Cons-

trucci6n e Ingenieria de las Fuer-

zas Armadas de Estados Unidos

(USACERL). El estudio consisti6 en

el desarrollo de pruebas del mo-

delo de un edificio de nueve pi-

sos, modelo que, construido a una

escala de 1 :8 (figura 3). fue sujeto

al efecto de varios sismos. Previa-

mente, y dotado con aisladores de

hule laminado, habia sido estudia-

do en los laboratorios de la Uni-

versidad de California en Berkeley.

El modelo estudiado en lllinois

se prob6 tanto estando fijo a la base, como provisto del sistema de

aislamiento GT-BIS. Se desarrolla-

ron pruebas de vibraci6n libre, de

excitaci6n por ruido blando y por

los efectos de cuatro acelerogra-

mas: el Centro. el Parkfield, el Taff

y el México 1985 SCT. Se utiliza-

ron para las pruebas tres longitu-

des libres de los cables de los ais-

ladores, de manera de obtener tres

periodos fundamentales de oxi-

laci6n.

Se instalaron amortiguadores de

diseño especial que permiten va-

riar a voluntad el amortiguamien-

to deseado y que evitan además

un giro que pudiera incrementar

desfavorablemente los desplaza-

mientos lineales en los extremos

de la estructura; esto último es conveniente cuando no se tiene

mucho espacio entre los elemen-

tos unidos a la superestructura y

los fijos al suelo.

La conclusiones del estudio fue-

ron sumamente favorables para el

sistema probado. Entre los resul-

tados más importantes están: a) su

completa estabilidad; b) su venta-

J O S ~ utilizaci6n para edificios de

mediana altura, aun cuando estén

ubicados en suelos sumamente

suaves: c) la gran reduccdn de los

efectos criticos de un samo, reduc-

ción que puede llegar hasta 96 por

ciento (figura 4); d) su apreciable

ventaja sobre el sistema de aisla- dores de hule laminado y, de pri-

mordial interb. e) la minimizacdn

de los desplazamientos relativos

entre pisos consecutivos, con lo que prácticamente se podria espe- rar la anulacdn de daños. aun

durante sismos intensos.

Losrrrubdosonlanm

de prensadel p«ibdbRefomu

La empresa editora CICSA decid16

emplear el sistema GT-BIS para re-

ducir los efectos sismicos en la nave de impresión de su peri6dico

Reforma, y también para aprove-

char la ventaja de que con él se pudieran eliminar los efectos de los

probables asentamientos diferen-

ciales en la cimentacdn. Este últi-

mo objetivo se estimaba necesa-

rio para cumplir con las especificaciones de los fabricantes

de sus rotatwas, las que limitan el

desnivel entre las bases de dichos

equipos a O 003".

La edificacdn está ubicada en

la llamada Zona de Transicdn del

área del Lago, en México, D.F La

nave de impres16n tiene aproxima-

damente en planta 45 x 9 m y una

altura de 15 m (figura 5). Se &tu-

vo un periodo natural de oxilacdn

cercano a los seis segundos, muy

superior al dominante del suelo.

Se instalaron ocho amortiguado-

res especiales (figura 6) para propoc-

cionar de esta manera el amorti-

guamiento cakubdo comobptimo.

Por los resultados de las prue-

bas físicas desarrolladas se espera

eliminar al menos 90 por ciento de

los efectos que en una instalación

convencional podría producir un

temblor, lo que ya se ha compro-

bado al registrarse algunos sismos

de intensidad moderada.

Para lograr los requerimientos de

nivelación se implantó un sistema

de monitoreo de niveles cuyos m6-

dulos se colocaron en la losa sus-

pendida frente a cada una de las

12 columnas. Con ese equipo es- pecial, diseñado por el autor, se

detectan desniwles relativos meno-

res de 0.001 ". Cuando las lecturas

indican la necesidad de una correc-

ción, losasentamientosde la cimen-

tación se compensan rápidamente

aplicando tuercas hidráulicas sobre

los extremos superiores de los tiran-

tes y efectuando enseguida el ajus-

te correspondiente de sus tuercas

mecánicas (figura 7).

La aplicación en edificios de baja

y mediana altura

La aplicación del GT-BIS en edifi-

cios de baja y mediana altura pue-

de ser implementada con efectivi-

dad tanto en estructuras de acero

como en estructuras de concreto.

Al seleccionar una longitud apro-

piada para los cables o barras de

tensión, se puede proporcionar un

periodo fundamental que minimi-

ce la respuesta de aceleración. De

igual forma, con el sistema espe-

cial de amortiguamiento se pue-

.de proporcionar el amortigua-

miento óptimo. Asi, para obtener

una respuesta sismica baja no se

requiere descansar en la flexibili-

dad de la estructura ni en la disi-

pación de la energia por medio de

su ductilidad. Al contrario, es con-

veniente agregar rigidez a la es-

tructura, con lo que, aunado a la

muy baja respuesta sismica, se re-

ducen los desplazamientos relati-

vos entre pisos consecutivos de tal

manera que prácticamente se anu-

lan los daños, tanto de la propia

estructura como de los elementos

no estructurales.

La rigidización de la estructura

de un edificio se puede lograr me-

diante el empleo de contravientos

o de muros de cortante; sin em-

bargo, a veces los requerimientos

del proyecto arquitectónico no

permiten aplicar esta solución. En

tales casos, la oposición a los des-

plazamientos relativos es propor-

cionada exclusivamente por los

marcos rigidos de la estructura. El

estudio que se describe a conti-

nuaci6n se refiere a este último

caso, por ser el más desfavorable

para la restricción de los desplaza-

mientos relativos.

Estudio comparativo

de los desplazamientos dativos

en dos estructuras integradas

por marcos rígidos

Se diseñaron las estructuras de dos

edificios, una de acero y la otra de

concreto. Estos edificios son simi-

lares al prototipo del modelo pro-

bado en Champaign, Illinois, con

excepción de su planta, la que se

cambió de tal manera que ambos

edificios tuvieron las mismas carac-

teristicas en las dos direcciones

ortogonales (figura 8). Se supuso

su ubicación en la llamada Zona

del Lago de la ciudad de México,

en la que el 19 de septiembre de

1985 fueron destruidos, o seria-

mente dañados, numerosos edifi-

cios de mediana altura. Se estudio

su comportamiento bajo la acción

de la componente E-W del sismo

antes citado, de acuerdo con el

acelero-grama registrado en la Se-

cretaria de Comunicaciones y

Transportes (México 85, SCT), el

mismo que fue utilizado en las

pruebas del modelo en mesa

vibratoria mencionadas anterior-

mente.

GT-BIS 6 0.06

I

4 1 I

Modelo Aldada

fylurn 4 ACEL MAX. DE PISO/ ACEL. MESA

El diseño de las estructuras se

desarroll6 suponiéndolas con su

base fija en el suelo, soportando

las cargas verticales correspondien-

tes al prototipo del mencionado

modelo, y siguiendo las normas vi-

gentes en la ciudad de México para

la zona correspondiente a su su-

puesta ubicaci6n (zona 111). Se

adopt6 un factor reductivo Q=4,

empleándose el análisis estático. Se

eligi6 este último procedimiento

dado el prop6sito principal del es-

tudio: la evaluaci6n de los despla-

zamientos entre pisos consecutm

de la estructura cuando se utiliza

el sistema de aislamiento de base

propuesto. sujetándolo a la accdn

del temblor México 85. SCT. Se

emple6 el programa STAAD - 111

para el análisis y diseno de las es- tructuras. así como para la evalua-

ci6n de los desplazamientos relati-

vos. Las características de los

miembros de las dos estructuras se muestran en la tabla 1.

En cambio. para la determina-

ci6n de los desplazamientos relati-

vos en las estructuras dotadas con

viga de 1 acero

/ Barras de

-suspensión

Losa .aislada

R

el aislamiento de base se aplicaron

las fuerzas sismicas correspondien-

tes a las aceleraciones máximas re-

sultantes de las pruebas desarro-

lladas en Champaign, Illinois, para

una longitud libre de los cables de

los aisladores de 66 cm (26-118").

y bajo la excitaci6n del temblor

mencionado anteriormente, Estas

aceleraciones se muestran en la fi-

gura 6 para los niveles 1.4.7 y 1 O;

al ser muy parecidos sus valores,

se determinaron los de los niveles

restantes por interpolacdn (figura

8). Como las relaciones de escala

entre el modelo y su prototipo eran

de 118 para las longitudes y 111

para las aceleraciones, las arriba

mencionadas son las que se regis-

trarían en las estructuras reales ais-

ladas para una longitud equivalen-

te de los cables de los aisladores

de5.30m(8x26-1/8). Deestama-

nera se obtendria un periodo fun-

damental igual al registrado para

el modelo multiplicado por la rela-

cdn escalar (1 6xV8). igual a 4 53 segundos Este periodo sobrepasa

apreciablemente al dominante del

suelo. aproximadamente 2 segun-

dos Se considero en el sistema de

aislamiento una fraccion del amor-

tiguamientocriticode0 06, que fue

la que se aplico en el sistema de

aislamiento del modelo

En la tabla 2 se muestran los des-

plazamientos relativos con respec-

to a la base de la superestructura

En la figura 9 se muestra la rela-

cion desplazamiento lateral relati-

vdaltura de entrepiso Los despla-

zamientos totales correspondientes

a las estructuras fijas al suelo son

considerablemente superiores a los

que resultan cuando se emplea el

sistema de aislamiento Tambien lo

son los de entrepiso. los que sobre-

pasan grandemente a los permiti-

dos por las normas vigentes Como

se mencionó anteriormente, estos

desplazamientos fueron calculados

mediante un analisis estatico. em-

pleado por no ser su determinacion

el prop6sito principal de este estu-

dio. podrian ser aun mayores los que resultaran de un analisis dina-

mico inelás-tico paso a paso que se

basara en el acelerograma de la

Eaiü: ¡ r y r O u ü . ú y r . c o m bipp: /tnm.+r.eam 33

l

C O N C R E T O

NIVEL COLS. TRABES IR1 EXTERIORES INTERIORES f

9 6 0 x 6 0 4 0 x 9 0 4 0 x 1 0 0 300x35 6 í O x f S

0 6 0 x 6 0 4 0 x 9 0 40x100 300x35 610x15

7 6 0 x 6 0 4 0 x 9 0 4 0 x 1 0 0 350x25 610x15

6 6 0 x 6 0 4 0 x 9 0 40x100 350x15 610x15

5 6 0 x 6 0 4 0 x 9 0 40x100 400x32 610x15

4 6 0 x 6 0 4 0 x 9 0 4 0 x 1 0 0 400x32 610x15

3 7 0 x 7 0 4 0 x 9 0 40x100 400x35 686x21

2 7 0 x 7 0 4 0 x 9 0 4 0 x 1 0 0 400x35 610x15

I 7 0 x 7 0 4 0 x 9 0 40x100 480x41 610x15

.̂ .^_ .̂ .-- .^, -.

5

5

5

5

8

5

5

U q u x I1U qux I1U O 1 0 x 118 1

4.11 I'" 1.28 0.58 , I 5.40 5.,o 4.1 I

O 0.0 0.0 o.o 0.0 o.o 0.0 0.0 0.0

componente E-W del sismo Mexi-

co 85, SCT.

En cambio. los desplazamientos

entre pisos consecutivos calculados

para las estructuras aisladas se de-

rivan de las pruebas fisicas desarro-

lladas en la mesa vibratoria; son

muy reducidos. con un promedio

de 6.6 mm en la estructura de ace-

ro y de 2.4 mm en la de concreto.

El desplazamiento máximo relativo

entre el suelo y la base de los edifi-

cios (nivel 1) seria de 28 cm, el que

tendria lugar en el sistema de ais-

lamiento de base.

Conclusiones

1. El estudio demuestra que el sis-

tema de aislamiento de base GT-

BIS es muy eficiente para la reduc-

ci6n de las fuerzas sismicas y los

desplazamientos relativos, tanto en

la estructura de acero como en la

de concreto.

2. Ambasestructurasestarian siem-

pre dentro del rango lineal de res-

puestas y, dado lo reducido de los

desplazamientos de entrepiso, no

se justifica un analisis de segundo

orden

3 Dada la pequeña excentricidad

que las fuerzas sisrnicas causan en

la base de los edificios. su cimen-

tacibn podria ser diseñada para so- portar solamente los efectos de las

cargas verticales

4 Los desplazamientos de entrepi-

so son muy pequeños en ambos

edificios. los correspondientes a la

estructura de concreto son aproxi-

madamente un tercio de los de a c e

ro Son tan reducidos (2 4 mm en

promedio) que sus efectos podrian

ser practicamente ignorados

5 Las normas de construccion VI-

gentes para la zona 111 (Zona del

Lago) de la ciudad de Mexico no

prohiben el uso de estructuras de

concreto para edificios de mas de

seis pisos Sin embargo, su empleo

ha sido reducido durante la ultima

decada Como se demuestra en

este estudio. el empleo de concre-

to en estructuras de mediana altu-

ra, de más de seis pisos. podria ser

aceptable y ventajoso

6 En los casos de suelos altamen-

7

6

Y 5 - 4

1 1 I

O

d

>

z

1 2 0 - 7 95 -6 10-795 - I - -L

. ..__ 00560 15.0 4

0.0516 14.0

0.0561 1b.1- 0.0591 10.5

PüAlü Id I

te compresivos. como es el de la

zona a que se refiere este estu-

dio, se producen frecuentemen-

te altos asentamientos diferencia-

les en la cimentaci6n de los

edificios con estructuraci6n con-

vencional.

Por lo regular, estos asenta-

mientos son corregidos median-

te procedimientos complicados y

costosos; sin embargo, las usual-

mente muy rígidas trabes de los

niveles inferiores pueden haber

sido permanentemente dañadas

por los efectos de esos asenta-

mientos. Estos danos pueden in-

crementar el riesgo de colapso de

un edificio bajo los efectos de pos-

teriores tem-blores. En el caso del

empleo del sistema de aislamien-

to propuesto, los asentamientos

diferenciales pueden ser limitados

a fracciones de milimetro median-

te un ajuste peri6dico de la longi-

tud de los cables o tirantes de los

aisladores.

7. Aunque un edificio con es-

tructura de concreto esté locali-

zado en una zona de alto riesgo

sismico, debido a lo reducido de

los efectos de un temblor podría

considerarse como localizado en

una zona sismica moderada cuan-

do, por ejemplo. se sigue lo especi-

ficado en el capitulo 2 1 del C6digo

ACI 318-89. De esta manera, sola-

mente podría ser necesario cumplir

con la secci6n 21.9.

8. Además de ser capaz de pre-

venir danos a los miembros estruc-

turales de concreto, GT-BIS los evi-

ta también en los elementos no

estructurales, tales como tabiques

divisorios, fachadas, ventanales, cie- los falsos, instalaciones, etcetera.

Así, también se evitarian los gastos

correspondientes y el tiempo nece

sario para la reparaci6n de estos

elementos.

Un andlisis preliminar compa-

rativo de costos mostr6 que para la

ciudad de México, considerando ex-

clusivamente las superestructuras,

el costo de la de concreto es aproxi-

madamente 50 por ciento menor

que el de la de acero. L6gicamente.

esta estimaci6n puede variar para

otros casos y otras localizaciones.@

- .- -

El ingeniero Federico Garza Tamez es el presidente deGT implementaci6n Antisismica. S.A de C V