Aislamiento en la base

MODELACIÓN ESTRUCTURAL Y MODELACIÓN ESTRUCTURAL Y COMPORTAMIENTO ECONÓMICO COMPORTAMIENTO ECONÓMICO DE EDIFICIOS CON AISLAMIENTO DE EDIFICIOS CON AISLAMIENTO SÍSMICO EN LA BASESÍSMICO EN LA BASE

Presenta: Ing. Raúl González Herrera

MODELACIÓN ESTRUCTURAL Y MODELACIÓN ESTRUCTURAL Y COMPORTAMIENTO ECONÓMICO DE COMPORTAMIENTO ECONÓMICO DE

EDIFICIOS CON AISLAMIENTO SÍSMICO EDIFICIOS CON AISLAMIENTO SÍSMICO EN LA BASEEN LA BASE

Presenta: Ing. Raúl González HerreraPresenta: Ing. Raúl González HerreraAsesor: Ing. Luis E. Yamín L., MScAsesor: Ing. Luis E. Yamín L., MSc

Universidad de los Andes.Universidad de los Andes.Magister en Ingeniería CivilMagister en Ingeniería Civil

Bogotá, Junio de 2001Bogotá, Junio de 2001

JUSTIFICACIÓNJUSTIFICACIÓN

• A pesar de haber probado su eficiencia en sismos destructores como Northridge y Kobe, los aisladores sísmicos no han tenido una aceptación generalizada, gran parte de la responsabilidad es el desconocimiento de los mismos, así como también la falta de reglamentación que hay en la materia, pero por sobre todo no existe un estudio económico definitivo que permita comprender en plenitud las ventajas del sistema propuesto.

OBJETIVOSOBJETIVOS

Modelar analíticamente el aislamiento sísmico de edificios y determinar la conveniencia económica de sistemas de aislamiento en la base, sobre edificios fijos en la base.

Analizar los resultados obtenidos experimentalmente en el modelo aislado con los analíticos y los que se obtuvieron en el modelo fijo en la base.

DEFINICIÓNDEFINICIÓN

Aisladores de base. Basado en el concepto de la reducción de la demanda sísmica en lugar de incrementar la capacidad de resistencia de las estructuras al sismo. 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. Se debe apuntar, que 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

Sistemas basados en elastómeros–Vigas de alto amortiguamiento

–Vigas con corazón de plomo

Sistemas basados en deslizamiento–Sistemas de fricción silenciosa

–Sistemas de péndulos de fricción

–Sistemas tipo resorte

Sistemas neumáticos

TIPOS DE SISTEMAS DE AISLAMIENTOTIPOS DE SISTEMAS DE AISLAMIENTO

COMPORTAMIENTO DE LOS AISLADORES

Los aisladores de base se colocan entre la cimentación y el edificio. Modifican la frecuencia natural del sistema, y/o reducen la transmisibilidad de fuerzas sísmicas de la cimentación a la estructura. Como resultado de un terremoto, el suelo entre cada uno de los edificios comienza a moverse. Cada edificio responde al movimiento con uno en sentido contrario al actual del suelo debido a la inercia.

El edificio sin aislador cambia de forma de un rectángulo a un paralelogramo, lo cual indica que el edificio se está deformando. Por el contrario, el edificio aislado en la base mantiene su forma original, forma rectangular, siendo los aisladores los que se deforman. El edificio con aislamiento en la base escapa de la deformación y daño, lo cual implica que las fuerzas inerciales que actúan sobre éste han sido reducidas.

Se diseñaron los aisladores de base conforme a la metodología UBC-97

Mp

FpxFp

z

G

Fb

H

V

DISEÑO DE AISLADORES DE BASEDISEÑO DE AISLADORES DE BASE

Tipo deaislador

Carga(Ton)

Rigidezefectiva(Ton/m)

RigidezInicial

(Ton/m)

Fuerza deFluencia

(Ton)

Rigidezvertical(Ton/m)

Diámetro(cm)

Altura(cm)

A 100 110 790 7.9 1100 60 27B 200 190 1270 12.7 2800 60 27

Fuerza Kg

Desplazamiento (cm)

20000

40000

-20000

-40000

-20-40 20 40

Aislador exterior

Aislador interior

0

Se diseñaron los aisladores de base conforme a la metodología UBC-97

DISEÑO DE AISLADORES DE BASEDISEÑO DE AISLADORES DE BASE

590 mm

600 mm

270 mm

25 mm

12 mm

2 mm

100 mm

Mediante el programa NONLIN-3 y con los sismos de México, Loma prieta y Northridge, se obtuvieron las siguientes curvas:

ESTUDIO PARAMÉTRICOESTUDIO PARAMÉTRICO

m, k M, K

Mb

kb

Cb

zSA (m*s-2)

20%

10%

5%

0

T (s)1 2 3 4 5

4

8

12

16

T (s)

SD (mm)

20%

10%

5%

0 1 2 3 4 5

200

400

600

1.8

1.6

0

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 T

Vbasal/W

2.0

1.5

1.0

2.0

1.51.0

Aislado

Empotrado

Se desarrollo en las instalaciones del CITEC en la mesa vibratoria el proceso experimental.

MODELO EXPERIMENTALMODELO EXPERIMENTAL

El pórtico se probó con amortiguamiento y sin amortiguamiento, excitado bajoseñales de amplitud constante (2 mm sin amortiguamiento y frecuencias de 1.0 a6.0 Hz. y 5 mm con amortiguamiento y variando la frecuencia entre 1.0 y 6.0 Hz,con incrementos de 0.5 Hz. en ambos casos).

De la experimentación resultaron las siguientes gráficas:

MODELO EXPERIMENTALMODELO EXPERIMENTAL

Plantas de los edificios que se manejaron: El primero de cinco niveles y período inicial de 0.84 s y el segundo de dos niveles y período inicial de 0.32 s.

MODELACIÓN DE ESTRUCTURAS MODELACIÓN DE ESTRUCTURAS

8.60 m

6.80 m6.80 m 5.70 mA CB D

2

1

570 630

600

600

A B C

3

2

1

Se modelaron ambos edificios mediante SAP2000N


Aislador sísmico

Comparación de primer modo


0.187

0.464 -0.187

0.464 0.319

0.386 -0.319

0.385

0.269 0.595

Metodologías utilizadas FEMA y ATC


Sa

Sd0” 4” 8” 12” 16” 20” 24”

E’

D’ T’=3segPerfomancepoint

Factor del aislador

T’=0.5seg

T’=1seg

T’=2seg

C’B’

E

D

C

B

AA’

Desplazamiento espectral

Aceleración

Espectral

0.60g

0.40g

0.20g

ξ=5%

ξ=10%

ξ=20%

A

BC

D E

θ

M

1.0

Curva de Capacidad Pushover

Curva de capacidades


Resumen de costos

COMPARACIÓN DE COSTOS COMPARACIÓN DE COSTOS

Elemento Edificio fijo Edificio Aislado

Zapatas y vigas de cimentación 24,770,300 29,300,460

Columnas 66,684,335 61,372,318

Vigas 81,669,790 73,461,257

Muros de concreto, placas y escaleras 79,222,640 79,222,640

Aisladores 98,182,400

Totales 252,347,065 341,539,075

Resumen de costos

COMPARACIÓN DE COSTOS COMPARACIÓN DE COSTOS

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESCONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

A manera de conclusiones, se puede decir:

El aislamiento sísmico NO representa la solución única para disminuir los efectos de los sismos en las edificaciones, NO es un sistema que pueda considerarse de uso universal.

Desprenderse de actitudes conservadoras, pero sin dejar de ser realistas, desarrollar investigación tendiente a actualizar los códigos y determinar hasta donde podremos reducir las exigencias normativas en el diseño de las estructuras aisladas en la base; éste paso debe de ser el inmediato para el desarrollo de ésta tecnología.

En un edificio con aislamiento sísmico en la base, se debe cuidar hasta el último detalle en los aspectos constructivos como la conexión entre el edificio, el aislador y la cimentación, ya que debe existir un claro deslinde entre la cimentación y la superestructura a fin de que funcione el método, debe de considerarse que cada uno de éstos elementos tendrá desplazamientos propios.


El análisis económico muestra una reducción del 5.20% en el costo de la estructura (sin considerar los aisladores) cuando se utiliza el sistema de aislamiento, lo cual concuerda con los estudios realizados en Nueva Zelanda, pero en el costo total de la misma habrá un incremento entre el 5 y el 10%. El verdadero valor del aislamiento sísmico sólo se podrá observar después de la ocurrencia de un sismo, ya que los costos de reparación que se ahorraran, la reducción de los niveles de riesgo en la estructura y los costos de la prima de seguros contra desastres que se contrate para la edificación, son casi imposibles de evaluar, pero seguramente representan en su conjunto beneficios por un monto superior a los sobrecostos que pueda presentar la edificación en el momento de su construcción.

Para poder considerar la factibilidad económica que pueda presentar un edificio aislado se debe partir de un análisis interdisciplinario que considere: la geología local (fallas locales, estratos, condiciones de suelo, efecto doppler, etc.), amenaza sísmica (sismos presentados, período, frecuencia, severidad, nivel de aceleraciones, etc.), tipo de daño que se considera (menor o reparable), propios de la estructura (forma estructural, regularidad vertical y horizontal, materiales, uso de la estructura, características, etc.)


Los diseños convencionales proveen al edificio con la suficiente resistencia, deformabilidad y capacidad de disipación para contrarrestar las fuerzas generadas por un sismo, la respuesta de la aceleración pico de la estructura es generalmente tan grande como la aceleración pico inducida por el suelo; en contraparte el aislamiento sísmico limita los efectos del sismo mediante el desacoplamiento de la estructura horizontalmente en la base, las aceleraciones disminuyen considerablemente al igual que las fuerzas inducidas a la estructura. Al incrementar el período se permite la resonancia en el aislador, ya que la mayoría de los desplazamientos se producen en el sistema de aislamiento, lo cual le hace presentar un comportamiento no lineal, disipando energía histeréticamente.

El sistema de aislamiento es muy eficiente para ciertos casos, los países latinoamericanos deben de intentar desarrollar sus propios aisladores y continuar las investigaciones, ya que es el único medio que permitiría el desarrollo del método en nuestros países.

AGRADECIMIENTOSAGRADECIMIENTOS

- Al Ing. Luis E. Yamín, MSc. mi asesor de la tesis.

- A los Ing. Diego Echeverry, PhD e Ing. Alberto Sarria, por su colaboración en el proyecto y amistad.

- A Colombia por brindarme un hogar y a toda la maravillosa gente que conocí y me dieron la oportunidad de ser su amigo, en especial a Berito e Inesita.

- A Alejandra por hacer de cada uno de mis sueños la más hermosa realidad.

- A mi madre y hermanos por forjar y acompañar cada uno de mis sueños.

- Por sobretodo a Dios por la vida, por los sueños y oportunidades.

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