informe de sustentacion 1

ndice

CAPITULO I ...............................................................................................................................................................3

ASPECTO METODOLGICO ..................................................................................................................................3

1.1. INTRODUCCIN.......................................................................................................... 3

1.2. ANTECEDENTES GENERALES ..................................................................................... 4

1.3. DIAGNOSTICO SITUACIONAL ....................................................................................... 7

1.3.1. PELIGROSIDAD SISMICA ...................................................................................... 7

1.3.2. VULNERABILIDAD SISMICA................................................................................... 8

1.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................. 10

1.5. HIPOTESIS ............................................................................................................... 10

1.6. OBJETIVOS .............................................................................................................. 11

1.6.1. OBJETIVO GENERAL.......................................................................................... 11

1.6.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.................................................................................. 11

1.7. JUSTIFICACION ........................................................................................................ 11

1.8. ASPECTO METODOLOGICO ....................................................................................... 12

1.9. ALCANCES Y LIMITACIONES ...................................................................................... 12

CAPITULO II ............................................................................................................................................................14

SISTEMAS DE CONTROL SSMICO EN EDIFICIOS ..........................................................................................14

2.1. GENERALIDADES ..................................................................................................... 14

2.2. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL ..................................................... 15

2.2.1. Control pasivo........................................................................................................... 16

2.2.1.1. Sistemas de Aislamiento Ssmico ........................................................................... 17

2.2.1.2. Sistemas de efecto de masa adicional ..................................................................... 21

2.2.1.3. Sistemas de control pasivo con disipacin de energa ................................................. 24

2.2.2. Sistemas de control activo ........................................................................................... 29

2.2.3. Sistemas de control hbrido ......................................................................................... 32

2.2.4. Sistemas de control semiactivo .................................................................................... 34

2.3. PERSPECTIVAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL ................................ 36

CAPITULO III ...........................................................................................................................................................37

AISLAMIENTO SSMICO DE BASE .....................................................................................................................37

3.1. TIPOS DE AISLADORES DE BASE ............................................................................... 38

3.1.1.- AISLADORES ELASTOMERICOS (LDR) ...................................................................... 39

3.1.2.- AISLADORES DE GOMA CON NUCLEO DE PLOMO (LRB) ............................................ 40

3.1.3.- AISLADORES DE FRICCION (FPS)............................................................................. 41

3.2. COMPORTAMIENTO DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS ....................................... 44

CAPITULO IV...........................................................................................................................................................47

CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO ..............................................47

4.1. CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO TRADICIONAL ....... 47

4.2.- CARACTERIZACION ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO AISLADO ........................................ 58

CAPITULO V............................................................................................................................................................61

CARACTERSTICAS MECNICAS Y MODELO BILINEAL DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS CON NCLEO DE PLOMO (LRB).......................................................................................................................61

5.1. CONDICIONES GENERALES EN EL DISEO DE AISLACION BASAL...................................... 62

5.2 DISEO DEL SISTEMA DE AISLACION ............................................................................... 63

5.2.3.- CLCULOS REALIZADOS PARA EL DISEO DE LOS AISLADORES LRB ....................... 79

5.3.- ESTIMACION DEL COSTO DE LOS AISLADORES ELASTOMERICO CON NUCELO DE PLOMO

(LRB) .................................................................................................................................. 88

CAPITULO VI...........................................................................................................................................................90

MODELACIN COMPUTACIONAL ......................................................................................................................90

EN EL PROGRAMA SAP2000 V-14.1...................................................................................................................90

6.1.- CRITERIOS PARA LA MODELACION DEL EDIFICIO CONVENCIONAL .................................. 91

6.2.- CRITERIOS PARA LA MODELACION DEL EDIFICIO AISLADO ............................................. 94

6.3.- PASOS PARA LA MODELACION SISMICA MODAL ESPECTRAL Y AISLADORES .................... 95

6.3.1.- PASOS PARA LA MODELACION SISMICA MODAL ESPECTRAL .................................... 95

6.3.2.- PASOS PARA LA MODELACION DE LOS AISLADORES .............................................. 101

CAPITULO VII........................................................................................................................................................109

ANLISIS COMPARATIVO DE LOS MODELOS CON Y SIN AISLACION DEL EDIFICIO DE DERECHO.109

7.1.- ESPECTRO DE DISEO ............................................................................................... 109

7.1.1.- ESPECTRO DE DISEO PARA EL EDIFICIO CONVENCIONAL..................................... 109

7.1.2.- ESPECTRO DE DISEO PARA EL EDIFICIO AISLADO......... Error! Marcador no definido.

7.2.- RESPUESTA DINAMICA PERIODOS Y PARTICIPACION MODAL . Error! Marcador no definido.

7.2.1.- EDIFICIO SIN AISLAR ..................................................... Error! Marcador no definido.

7.2.2.- EDIFICIO AISLADO ......................................................... Error! Marcador no definido.

7.2.3.- PSEUDO-ACELERACIONES CORRESPONDIENTES A LOS PERIODOS FUNDAMENTALES

DEL EDIFICIO ......................................................................... Error! Marcador no definido.

7.3.- DESPLAZAMIENTO DE ENTREPISOS Y DISTORSIONES ........... Error! Marcador no definido.

7.3.1.- EDIFICIO SIN AISLAR ..................................................... Error! Marcador no definido.

7.3.2.- EDIFICIO AISLADO ......................................................... Error! Marcador no definido.

7.3.2.1.- EDIFICIO AISLADO (Con espectro de la Norma E.030 del RNE) ...... Error! Marcador no

definido.

7.3.2.2.- EDIFICIO AISLADO (Con espectro de Newmark & Hall).... Error! Marcador no definido.

7.4.- CORTANTE BASAL Y CORTANTE POR ENTREPISO ................. Error! Marcador no definido.

7.5.- ACELERACION ABSOLUTA POR ENTREPISO .......................... Error! Marcador no definido.

7.6.- ESFUERZOS EN LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES.............. Error! Marcador no definido.

7.6.1.- COMBINACIONES DE CARGA REALIZADAS ...................... Error! Marcador no definido.

7.6.2.- ESFUERZOS EN COLUMNAS Y PLACAS ........................... Error! Marcador no definido.

7.6.3.- ESFUERZOS EN VIGAS .................................................. Error! Marcador no definido.

CAPITULO VIII .............................................................................................................Error! Marcador no definido.

CONCLUSIONES .........................................................................................................Error! Marcador no definido.

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................Error! Marcador no definido.

ANEXOS........................................................................................................................Error! Marcador no definido.

ANEXO A.................................................................................... Error! Marcador no definido.

DETALLES DE CONEXIN DE AISLADORES ................................... Error! Marcador no definido.

ANEXO B.................................................................................... Error! Marcador no definido.

PANEL FOTOGRAFICO EDIFICIO DE DERECHO.............................. Error! Marcador no definido.

ANEXO C ................................................................................... Error! Marcador no definido.

PLANOS DE REFERENCIA DEL EXPEDIENTE TECNICO DE DERECHO ........... Error! Marcador no

definido.

APLICACIN DEL USO DE AISLADORES SSMICOS AL EDIFICIO DE PABELLONES DE AULAS Y LABORATORIOS DE LA FACULTAD DE DERECHO Y CIENCIAS POLITICAS - UNPRG. MODELADO EN EL PROGRAMA SAP2000

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mis padres, hermanas y amigos, por el respaldo que siempre me brindaron

y me brindarn para cumplir cada meta trazada.

BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 1


AGRADECIMIENTO

Agradezco de manera especial a mis padres por el apoyo recibido durante toda mi poca de

estudiante as como por los consejos impartidos que hicieron de m una persona bien

encaminada y capaz de tomar las mejores decisiones dentro de las cuales esta haber elegido

esta hermosa profesin que es la Ingeniera Civil.

Agradezco al Ing. Carlos Jorge Ramos Chimpen por haberme asesorado en la elaboracin de

este Informe de Ingeniera.



CAPITULO I

ASPECTO METODOLGICO

1.1. INTRODUCCIN El Per es un pas que est expuesto a una amenaza ssmica alta debido a que est ubicado

en el Cinturn de Fuego del Pacfico donde se encuentran algunas de las zonas de subduccin

ms importantes del mundo, lo que ocasiona una intensa actividad ssmica y volcnica en los

territorios que abarca. La amenaza ssmica no constituye un riesgo si no es acompaada por

edificaciones vulnerables. Es sabido que el dao parcial o colapso de las construcciones durante

y despus de un sismo es la mayor causa de vctimas, disturbios sociales y prdidas eco-

nmicas. De aqu que es indispensable disear y construir las edificaciones para que resistan

eventos ssmicos grandes sin colapsar y eventos ssmicos recurrentes sin daos en la

estructura.

Las tcnicas convencionales para mitigar y controlar la respuesta de una edificacin ante un

evento ssmico estipuladas por la Norma Ssmica E.030 del RNE., se basan en la combinacin

de resistencia, rigidez y capacidad de disipacin de energa en el rango inelstico de la

estructura. El inconveniente de que una estructura disipe energa en el Rango Inelstico es

que se generan daos permanentes, muchas veces sin posibilidad de reparacin. En otros

pases, se estn complementando estas tcnicas convencionales con alternativas tecnolgicas

modernas de Sistemas de Control para la Proteccin Ssmica que permiten un mejor

comportamiento de las obras de infraestructura bsica luego de producirse sismos.

Un sistema que se aplica con gran eficiencia en edificios menores de 15 pisos es el SISTEMA

PASIVO DE AISLAMIENTO EN LA BASE, el cual se aplicar al edificio en estudio, el aislamiento

de la base se logra al colocar algn tipo de capa flexible entre la estructura y la cimentacin, de

esta manera frente a un sismo se logra desacoplar el movimiento del suelo con respecto al de la

estructura, reduciendo la respuesta ssmica, su deformacin y por lo tanto su dao.

Este estudio es desarrollado para analizar los efectos que tendra la implementacin de un sistema de aislacin ssmica sobre el comportamiento estructural, para un caso en particular: el edificio de Pabellones de Aulas y Laboratorios de Cmputo de la Facultad de Derecho de la UNPRG. Y as determinar el beneficio de utilizar esta tecnologa en nuestro BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 3


medio para disminuir el riesgo ssmico de las edificaciones, por consiguiente la prdidas de vidas humanas, y econmicas por las prdidas materiales . la Modelacin del edificio con y sin alisalores se realiz en el Programa SAP2000.

1.2. ANTECEDENTES GENERALES El concepto de control estructural en estructuras civiles tiene sus races en el trabajo

emprico de John Milne, profesor de ingeniera en Japn, quien hace ms de 100 aos construy

una pequea casa en madera y la coloc sobre cojinetes para demostrar que la estructura podra

ser aislada del movimiento ssmico. Se necesitaron los primeros cincuenta aos del siglo veinte

para el desarrollo de la teora de sistemas lineales y su aplicacin al campo de las vibraciones y

en particular a la dinmica estructural. La motivacin principal de este desarrollo era el motor de

combustin interno, usado tanto en automviles como en aviones, que produca altos niveles de

fuerzas dinmicas. Durante la Segunda Guerra Mundial, conceptos tales como aislamiento,

absorcin, y amortiguamiento de vibraciones, fueron desarrollados y aplicados efectivamente en

estructuras aeronuticas. Despus de la Segunda Guerra Mundial, la carrera armamentista y la

conquista del espacio fomentaron el desarrollo de la teora y aplicacin del control estructural en

problemas de seguimiento y estabilizacin (tracking), y problemas relacionados con estructuras

flexibles espaciales. Esta tecnologa rpidamente fue adaptada a la ingeniera civil en

aplicaciones de proteccin de puentes y edificios a cargas extremas de sismos y vientos.

En 1969 se construy el primer edificio con aisladores de goma en la base, en la La Escuela

Pestalozzi, en Skopia Macedonia, desde entonces un gran nmero de investigadores ha

desarrollado sistemas de control estructural para el control de la respuesta ssmica y

actualmente existen muchas construcciones con aisladores ssmicos en pases como Estados

Unidos, Japn, Nueva Zelanda, Italia, Francia, Canad, China, Turqua, otros y recientemente en

Chile y Colombia, en Per recin se aplicar esta tecnologa con la construccin del City Center

Quimera en la ciudad de Arequipa. Esta tecnologa se ha verificado el buen comportamiento de

estos sistemas, un ejemplo de la efectividad de la tcnica de aislamiento de la base es el hecho

de que de los 10 hospitales afectados en el terremoto de Los ngeles (enero de 1994), slo el

hospital con aislamiento de base, University of Southern California Teaching Hospital, continu

en servicio. Durante el sismo de Los ngeles, la aceleracin pico del suelo fue de 0.49 g,

mientras que las aceleraciones dentro del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g.



En Japn se aplic por primera vez en 1982 en una casa pequea, hasta antes de 1995 existan

85 edificios aislados, 35 de los cuales eran de propiedad de constructoras, centros de

investigacin, o de fabricantes de aisladores, durante Kobe (1995), dos estructuras aisladas

soportaron el movimiento ssmico sin problemas (Matsumura-Gumi, WJPSCC). Posteriormente

al terremoto de Kobe, el crecimiento de la aislacin ssmica en Japn es abrupto; 20 edificios por

mes, aproximadamente 600 edificios aislados en Japn para 1998, actualmente muchos edificios

importantes estn construidos con sistemas de aislamiento, tales como el Centro de

Computacin de la Empresa Elctrica Tohoku en Sendai, Provincia de Miyako.

Un proyecto de cooperacin entre el Earthquake Engineering Research Center (EERC), ahora

Pacific Engineering Research Center (PEER), de la Universidad de California en Berkeley, y la

Malaysian Rubber Producers Research Association (MRPRA), U.K, ha conducido a un programa

apoyado por la Organizacin de Desarrollo Industrial de la Naciones Unidas (UNIDO) para

desarrollar sistemas de aislamiento de bajo costo para pases en desarrollo, y actualmente hay

varios proyectos demostrativos en Indonesia, China y Armenia.

La primera aplicacin en EEUU es en 1985 (San Bernardino), durante Northridge (1994), cinco

estructuras fueron sometidas a movimientos significativos (p.e., USC, FCC), aproximadamente

40 edificios aislados en EEUU para 1998, el promedio de altura de edificios aislados antes de

1995 era entre 4 y 5 pisos, actualmente es en promedio mayor a 8 pisos.

Estados Unidos es otra potencia en esta tecnologa, que se ha aplicado en muchos edificios de

oficinas, viviendas y en edificios histricos como City Hall (Municipio) San Francisco, California,

Corte de Apelaciones de San Francisco, California, City Hall (Municipio) Los Angeles, California

En Chile tambin se ha implementado esta tecnologa y es el nico pas de Sudamrica que ha

investigado y patentado sistemas de aislacin ssmica que son producidos y ensayados 100% en

dicho pas.

Se presenta algunos de los edificios construidos con esta tecnologa : Edificio de vivienda social

de la comunidad de Andaluca construido entre los aos 1991 y 1992, la Clnica San Carlos de

Apoquindo, en el edificio de San Agustn en el 2002, ubicado en el Campus San Joaqun de la

Universidad Catlica, con cerca de 6.000 m 2 de construccin, en el nuevo edificio de la

Asociacin Chilena de Seguridad ubicado en la calle Vicua Mackenna, en el Hospital Militar,

cuya estructura tiene aisladores de 90 m. de dimetro y 30 de que son los ms grandes que se

han usado en Chile y uno de los ms grandes del mundo y son completamente hechos y



ensayados en ese pas. Recientemente se construyeron con esta tecnologa el edificio para

VULCO en el 2005, con una superficie de 1.200 m 2 . El edificio de consultas de la Asociacin

Chilena de Seguridad, tambin del 2005, con 5.500 m 2. En 7 pisos y 3 subterrneos es el ms

alto en Chile.

En Colombia recientemente se ha implementado esta tecnologa en la clnica Comfandi de la

Caja de Compensacin Familiar en la ciudad de Cali, que se encuentra actualmente en

construccin y tendr un rea total construida de 47,000 m2. Esta estructura contar con 145

aisladores ssmicos, se estima que este ao (2011) entre en funcionamiento y se culmine la

totalidad de las etapas del proyecto en el ao 2015. Esta es la primera edificacin en Colombia

con este tipo de tecnologa y se espera que esta tecnologa sea aplicada en un edificios de

apartamentos de 8 pisos en Bogot, encaminado el uso de estos dispositivos en este pas.

Pero la aislacin smica en Colombia se est aplicando tambin a estructuras como puentes, en

estos casos se han usado asiladores de Pndulo de friccin, los puentes aislados con este

sistema son: Puente la Estampilla en Manizales (2008), Viaducto el Helicoidal- entre dos

quebradas y Santa Rosa.

En Ecuador la aplicacin de sistemas de control ssmico, por el momento solo se ha aplicado en

estructuras de puentes siendo el primero, el puente que unir Baha de Carquez con San

Vicente, gigantesca obra erigida por el Grupo de Trabajo Manab del Cuerpo de Ingenieros del

Ejrcito C.E.E., otro puente que actualmente se est construyendo es el Puente Esmeralda.

En el Per se aplicar por primera vez este sistema de control ssmico en la construccin del City

Center Quimera en la ciudad de Arequipa, un edificio de oficinas de 14 pisos que incluir un

hotel, institucin educativa y una clnica, y que demandar una inversin de US$ 40 millones de

dlares.

La construccin del City Center Quimera de 14 pisos en la Ciudad de Arequipa, representa el

primer antecedente de construccin de un edificio con la tecnologa de sistema de control

ssmico, que en este caso emplea aisladores en la base. Actualmente recin se han iniciado los

trabajos de excavacin para la cimentacin, pero se paraliz la obra para optimizar la aplicacin

de este sistema de control ssmico.



1.3. DIAGNOSTICO SITUACIONAL La regin Lambayeque conforma una de las Macro Regin Norte con mejores potencialidades,

que en corto y mediano plazo se convertir en el polo de desarrollo del norte. Tiene una

ubicacin estratgica donde confluyen los pueblos del norte de la costa, sierra y selva,

concentrando el mayor movimiento comercial, industrial y econmico de todas estas regiones.

Adems, es el centro de un importante eje de vas de comunicacin, como la carretera

Panamericana y algunas vas de penetracin. Por todo esto, Chiclayo tiene una gran importancia

en el continuo desarrollo del pas. La interrupcin de sus actividades por un terremoto generara

cuantiosas prdidas y un desequilibrio econmico considerable, es por ello que es importante

conocer el riesgo ssmico de las edificaciones en esta regin, debido a la peligrosidad ssmica

por nuestra ubicacin en una zona de alta sismicidad y a la vulnerabilidad de las edificaciones,

para as establecer la importancia de aplicar una tecnologa antissmica de vanguardia cuya

efectividad se ha comprobado en pases desarrollados en los ltimos sismos ocurridos,

obtenindose un comportamiento ssmico adecuado de estas edificaciones protegidas

reduciendo as los daos de la misma y contenidos.

1.3.1. PELIGROSIDAD SISMICA La peligrosidad ssmica de la Regin Lambayeque es alta, principalmente por la

actividad de origen tectnica (iteracin de las placas de Nazca y Continental), actividad

de origen de fallas geolgicas en el sur de lado Oriental de la cordillera de los Andes, en

la que se identifican 2 zonas:

Zonas Activas y Superficiales: Segmento en el Sur de Oriental de los Andes.

Cordillera El Cndor- Jan (Amazonas Noroeste de Cajamarca)

Zonas activas de sismicidad intermedia superficial: Segmento Noroeste de Chimbote en la costa de Huaraz.

En la Regin Lambayeque los antecedentes que se tienen de sismos de magnitud

superior a 5 grados en la escala de Ritcher, se pueden clasificar:

Hasta antes de 1970: Se tiene perodos de ocurrencia cada 10 a 15 aos, siendo el

ltimo terremoto en la zona norte el que ocurri en el ao 1970 en el callejn de Huaylas



- Huaraz, generando daos en la integridad fsica de la poblacin (muertos y heridos),

destruccin de viviendas, especialmente de adobe y de la infraestructura de los servicios

pblicos (agua, energa elctrica, alcantarillado), que afect en especial nuestro

Departamento de Lambayeque.

Despus de 1970, los registros que se tienen son solo de temblores, con una magnitud

menor a 4.5 grados en la escala de Ritcher, cada 2 3 meses.

En la Regin Lambayeque, como se puede apreciar en estos ltimos 40 aos, no se han

registrados sismos mayores de 5 grados en la escala de Ritcher, denotndose un

silencio ssmico que lgicamente permite concluir que se viene produciendo una

considerable acumulacin de energa, y se ha ido descuidando la proteccin bsica

frente a terremotos, hecho que sin dudas ocasionara prdidas de vidas humanas en la

poblacin as como daos materiales en la infraestructura existente, creando con ello,

incertidumbre, problemas de salubridad y migraciones de las poblaciones, y

obstaculizando el normal desenvolvimiento de la actividad socioeconmica en las zonas

afectadas.

Por otro lado el tipo de suelo predominante en la ciudad de Chiclayo y ciudades

aledaas es una Arcilla de baja plasticidad, de baja resistencia, en promedio de 8

ton/m2. De Capacidad Portante, con periodos predominantes del suelo entre 0.5 y 1.0

seg. Este tipo de suelo de no buenas caractersticas para la construccin aumenta la

peligrosidad ssmica, pues genera mayores amplificaciones del sismo en la superficie

que un suelo de mejores caractersticas, lo que ocasionara mayor dao en las

edificaciones.

1.3.2. VULNERABILIDAD SISMICA De acuerdo a un estudio realizado Evaluacin del riesgo ssmico del centro Histrico

Chiclayo y otros estudios similares en el medio, se puede decir que la vulnerabilidad

ssmica de las construcciones en la Ciudad de Chiclayo y en la Regin Lambayeque

dependen del sistema de edificacin, as:

La totalidad de construcciones de adobe presentan alta Vulnerabilidad, debido a que la

calidad estructural del adobe es psima, pues este material por su gran peso atrae una



considerable fuerza ssmica, la cual no puede ser resistida por ser un material dbil, que

se comporta frgilmente ante movimientos horizontales, pues casi no posee ductilidad.

Las edificaciones de Albailera tienen Vulnerabilidad media a alta, debido a la muy

practicada autoconstruccin, o construccin informal.

En los edificios de concreto armado la vulnerabilidad es de baja a media, sin embargo

existe un considerable porcentaje de stas que tiene una vulnerabilidad alta, esto

tambin es debido a varios aspectos que disminuyen la calidad de estas estructuras,

como son los procedimientos constructivos deficientes con materiales de baja calidad y

sin supervisin tcnica, variedad de elementos no estructurales mal conectados al

sistema resistente, irregularidades en planta y elevacin, entre otros.

Ante esto, debido a la alta peligrosidad ssimica y vulnerabilidad de las edificaciones en

la Regin Lambayeque, existe un Alto Riesgo ante un sismo severo o raro, que

ocasionara una perdida social cuantiosa.

La edificaciones de concreto armado como el Edificio de Pabellones de Aulas y Laboratorios de Cmputo de la Facultad de Derecho, Hospitales, Colegios y otros, son menos vulnerables a los sismos que las edificaciones de albailera y adobe.

Esta edificaciones han sido diseadas considerando la filosofa y principios de diseo

Sismorresistente contempladas en la Norma E.030 del RNE, la cual reconoce que

reconoce que dar proteccin completa frente a todos los sismos no es tcnica ni

econmicamente factible para la mayora de las estructuras. Y establece que la

estructura no debera colapsar, ni causar daos graves a las personas debido a

movimientos ssmicos severos que puedan ocurrir en el sitio. Y debera soportar

movimientos ssmicos moderados, que puedan ocurrir en el sitio durante su vida de

servicio, experimentando posibles daos dentro de lmites aceptables.

En cambio en estructuras con proteccin ssmica, la tendencia mundial de filosofa de

diseo es que ante un Sismo Severo: No exista dao significativo a los elementos

estructurales ni dao masivo a los elemento no estructurales y contenidos, quedando en

servicio luego del evento ssmico, Y ante un Sismo Moderado NO EXISTAN DAOS EN

LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES, NO ESTRUCTURALES Y CONTENIDOS, esto

significa un desempeo muy superior frente a estructuras convencionales.

Es importante recalcar que incluso a travs de reforzar considerablemente las

estructuras convencionales es muy difcil alcanzar los objetivos de desempeo de una



estructura con proteccin ssmica, esto se debe a que el aumento de resistencia en una

estructura

convencional, conlleva a la rigidizacin de la estructura lo que induce niveles de

aceleracin que dificultan el control de daos en contenidos, instalaciones y

terminaciones y por ende la funcionalidad del edificio.

Por lo anterior un edificio convencional no puede competir en seguridad con un edificio con Proteccin Ssmica. La implementacin de esta tecnologa en nuestro medio, especialmente en los Hospitales que son estructuras que deberan seguir en

funcionamiento luego de un sismo para la atencin de heridos, en los edificios Pblicos

como Universidades, Colegios y otros edificios que sern potenciales lugares de refugios

luego del sismo sera muy beneficiosa y disminuira la prdida de vidas, disturbios

sociales y prdidas econmicas.

1.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El problema central identificado es: Riesgo Ssmico considerable de las edificaciones en la Regin Lambayeque.

Esto debido a que se encuentran ubicadas en una zona Ssmica de alta actividad, con

caractersticas de suelo que aumentan el riesgo y con configuracin estructural insuficiente

para soportar un sismo Severo sin presentar daos estructurales considerables, no acorde

con la tecnologa de vanguardia existente para la proteccin smica la cual se aplica cada

vez ms en pases como Japn, Estados Unidos, pases europeos, ahora en chile y otros

pases latinoamericanos, cuya rpida expansin en estos ltimos no ha sido posible

principalmente por la poca difusin de informacin.

1.5. HIPOTESIS Mejor desempeo Ssmico del edificio en estudio con aisladores, que el edificio sin estos

Dispositivos de control tal como est construidos, presentando aumento del periodo de la

estructura alejndolo del periodo principal del suelo, evitando as amplificaciones y

resonancia, as como la reduccin la fuerza cortante basal, disminucin considerable de las

distorsiones de entrepiso, disminucin de los esfuerzos en los elementos estructurales.



1.6. OBJETIVOS

1.6.1. OBJETIVO GENERAL Comparar la respuesta Ssmica e una estructura convencional versus la estructura

similar aislada, para un caso en particular: Edificio de Pabellones de Aulas y

Laboratorios de Cmputo de la Facultad de Derecho UNPRG. De Lambayeque y as

determinar los beneficios de la aplicacin de esta tecnologa para las caractersticas de

nuestro medio y este tipo de edificaciones de mediana altura que son las predominantes.

1.6.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Realizar una modelacin Dinmica en el Programa SAP2000 del edificio en

estudio con su configuracin actual conforme est construido

Determinar el Sistema de Proteccin Ssmico adecuado para el edificio en estudio y realizar una Modelacin Dinmica del sistema en el Programa SAP2000.

Realizar un anlisis comparativo de la respuesta estructural de la edificacin convencional y la estructura similar aislada.

Estimar el costo que significara utilizar un Sistema de aislacin en el edificio en estudio.

Difundir los aspectos bsicos de estas tecnologas, entre los profesionales relacionados, para que su uso beneficioso se extienda.

1.7. JUSTIFICACION La aplicacin de esta tecnologa de vanguardia como son los Sistemas de Control

Ssmico, en las construcciones de la Regin Lambayeque y dems Regiones del Per,

otorgara a estas construcciones una real proteccin ante sismos severos a los que estn

expuestos , muy superior a una estructura convencional, entregando una mayor seguridad a

las personas, disminuyendo daos en elementos estructurales, no estructurales y

contenidos, y teniendo presente la servicialidad de la estructura luego del evento ssmico, a

travs de un conocimiento controlado y conocido de sta, acorde a las nuevas filosofas

mundiales de diseo estructural.



1.8. ASPECTO METODOLOGICO

Recopilacin de Informacin Tcnica Bibliogrfica.

Se realizar un modelo Dinmico en el Programa SAP2000-V14 para del Edificio de la Facultad de Derecho, tal como est construido. El anlisis ssmico se realizar con Respuesta Espectral y con un anlisis adicional de Tiempo Historia, para una comparacin ms completa con el sistema aislado.

Se Predimensionar los Aisladores Ssmicos para determinar sus caractersticas geomtricas y mecnicas las cuales sern utilizadas para realizar la modelacin Dinmica para el mismo edificio con aisladores en la base, utilizando el Programa SAP2000-V14. El anlisis ssmico se realizar con Respuesta Espectral y con un anlisis adicional de Tiempo Historia, para una comparacin ms completa con el edificio convencional.

Mediante un proceso iterativo se verificar que las dimensiones y caractersticas mecnicas de los aisladores considerados sean las adecuadas para resistir los esfuerzos a los que estarn sometidos.

Se realizar un Anlisis comparativo de las respuestas ssmicas entre el edificio convencional versus el mismo edificio con aisladores ssmicos en la base, para determinar los reales beneficios de la aplicacin de esta tecnologa en nuestro medio con las caractersticas particulares del caso.

Se estimar el costo del sistema de aislacin de acuerdo al nmero de aisladores considerados y sus dimensiones calculadas y su instalacin, teniendo como referencia los costos de este sistema en el Pas vecino de Chile.

1.9. ALCANCES Y LIMITACIONES Los alcances y limitaciones de este estudio son a nivel de comparacin de la respuesta

estructural ante los sismos para el edificio convencial y con aislacin en la base, utilizando

consideraciones de normativas de otros pases por no existir una norma especfica en el

Per para edificios con aisladores ssmicos.

Se disear solo el Sistema de Aislacin por ser necesario para la modelacin en el

Programa SAP2000, el presente estudio no contempla el diseo de los elementos

estructurales ,por lo tanto tampoco se determinar el presupuesto real del edificio aislado

para su comparacin con el presupuesto aprobado para la construccin de este edificio, solo

se realizar una estimacin ligera del costo que generara aplicar este sistema de aislacin.



CAPITULO II

SISTEMAS DE CONTROL SSMICO EN EDIFICIOS

En este captulo se tratar de manera ligera los principales sistemas de control ssmico

de estructuras utilizados en el mundo, para luego tratar en un captulo especfico el sistema de

control ssmico de aisladores de base que son los utilizados en este proyecto por sus amplios

beneficios que se mencionan el captulo respectivo.

2.1. GENERALIDADES Las vibraciones estructurales producidas por sismos o viento pueden ser controladas mediante

sistemas de control estructural. Estos sistemas son mtodos alternos para disminuir las

solicitaciones (fuerzas internas) de una estructura, mejorando sus propiedades dinmicas con

base en esquemas de control pasivo, semiactivo, activo e hbrido. El uso de estas tcnicas de

control de respuesta ssmica tiene como objetivo reducir la demanda ssmica de la propia

estructura controlando su deformacin y, por lo tanto, su dao.

La comprensin del concepto fsico de conservacin de energa es bsica para el planteamiento

de innovaciones en cualquier sistema estructural. Los tres tipos de elementos que forman los

sistemas vibratorios son: elementos de inercia, que almacenan y liberan energa cintica y estn

asociados con la aceleracin del sistema; elementos de rigidez, que almacenan y liberan energa

potencial y estn asociados con la deformacin o desplazamientos; y elementos de disipacin,

que representan la prdida de energa en el sistema y estn asociados con la velocidad y

desplazamiento. La energa de respuesta de estos elementos iguala la energa externa

provocada por una excitacin del sistema por fuerzas y momentos externos, o por alteraciones

externas provenientes de desplazamientos iniciales prescritos o de velocidades iniciales.

Los sistemas de control de respuesta ssmica trabajan la disipacin de energa por medio de

amortiguamiento viscoso, friccin seca, friccin interna en los materiales, calor, sonido,



amortiguamiento material o slido o histertico, o amortiguamiento de fluido, y disminucin de la

energa de excitacin con aisladores.

Algunas de las ventajas estructurales del uso de estos dispositivos son: reduccin de fuerzas

cortantes, aceleraciones y derivas en cada nivel, y reduccin de daos en elementos

estructurales y no estructurales. Adems de estas ventajas mecnicas se cuenta con los

beneficios arquitectnicos: espacios ms grandes y limpios, implementacin y uso de nuevos

materiales para elementos no estructurales, confort y seguridad a los usuarios.

2.2. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL Los japoneses y estadounidenses utilizan dos nomenclaturas diferentes de clasificacin de

acuerdo con el mecanismo de funcionamiento. Los japoneses los clasifican en cuatro categoras:

sistemas aislados en la base, sistemas de absorcin de energa, sistemas de efecto de masa y

sistemas de control activo.

Los estadounidenses plantean tres categoras: sistemas aislados, sistemas de disipacin pasiva

de energa y sistema de control activo. La diferencia entre las clasificaciones radica en que los

estadounidenses incluyen los sistemas de efecto de masa dentro de los sistemas de control

pasivo o activo de energa.

Ante estas diferencias, en la ISO 3010 International Standard Basis for design of structures

Seismic action on structures se plantea una clasificacin que pretende ser internacional, que

consiste en tres sistemas de control de respuesta ssmica: control pasivo, control activo e hbrido

y control semiactivo (tabla 1).



2.2.1. Control pasivo

Los sistemas pasivos de control estructural (figura 1) emplean dispositivos pasivos que

responden al movimiento de la estructura y disipan la energa vibratoria del sistema estructural.

Un sistema de control pasivo no requiere una fuente externa de potencia. Los dispositivos de

control pasivo producen fuerzas en respuesta al movimiento de la estructura. La energa total en



un sistema estructural controlado pasivamente, incluyendo los dispositivos pasivos, no aumenta

por dichos dispositivos.

Estos sistemas, que incluyen aisladores de base, amortiguadores viscoelsticos y

amortiguadores de masas, han sido empleados en la construccin sismo resistente de miles de

estructuras en pases como Estados Unidos, Japn, Nueva Zelanda, Italia, Canad, China, Chile,

Colombia, otros.

(figura 1)

Los sistemas de control pasivo comprenden: Sistemas de Aislacin Ssmica, Sistemas de

Disipacin de Energa y Sistema de Masa Adicional, las cuales se detallan a continuacin.

2.2.1.1. Sistemas de Aislamiento Ssmico

En el sistema de aislamiento ssmico en la base se instalan dispositivos, generalmente

en el nivel ms bajo del edificio, con el fin de que absorban, de forma parcial, la energa

impuesta por el sismo antes de que sea transmitida a la superestructura (figura 2). Entre los

dispositivos empleados en la tcnica de aislamiento ssmico en la base se cuenta con los

aisladores flexibles y los aisladores de friccin deslizantes o basculantes, combinados con

amortiguadores.



Este es el tipo de aisladores utilizado en el presente estudio (Aisladores ssmicos

Elastomrico), por lo cual la informacin referente a este sistema ser tratada de manera ms

completa en el prximo captulo referente a Sistemas de Aislamiento Ssmico.

(figura 2)

El uso de los aisladores ssmicos hace que la energa ssmica se atene, de forma

parcial, antes de ser transmitida a la superestructura, haciendo que la energa total para

balancear por amortiguamiento propio del sistema, energa elstica y energa cintica

sea menor.

En el caso de los aisladores flexibles, la reduccin de energa ocurre por el aumento del

perodo de vibracin de la estructura, alejndolo del perodo de vibracin natural del

suelo. Por otro lado, los aisladores de friccin reducen la energa por medio del

deslizamiento entre el edificio y la cimentacin. Para edificios con perodos largos de

vibracin (edificios mayores a 15 pisos) el uso de aisladores no es muy recomendado, ya

que su presencia no implicara un cambio drstico en las fuerzas de entrada a la

superestructura. Los aisladores flexibles y los apoyos por friccin funcionan tambin

como sistema de transmisin de cargas verticales a la fundacin, por lo tanto, se debe

controlar su rigidez y resistencia vertical para evitar el colapso del edificio. En la (figura

3) se aprecia la instalacin de un aislador elastomrico en la cimentacin del edificio.



(figura 3). Instalacin de aisladores elastomricos en la platea de cimentacin.

Los aisladores de elastmeros y los de caucho natural (figura 4) estn compuestos por

una serie de lminas de elastmeros o de caucho adheridas entre s, intercaladas o no

con lminas metlicas, con el fin de proveer capacidad para soportar cargas verticales y

confinar el ncleo que, por lo general, es de plomo. Las principales caractersticas que

debe cumplir este tipo de aisladores son la alta rigidez vertical, la flexibilidad horizontal,

la rigidez torsional, la durabilidad, la resistencia a cambios de temperatura y la

resistencia a fuerzas cortantes, propiedades que deben ser comprobadas en laboratorio

antes de ser utilizados en un edificio. En la (figura 5) se aprecia la instalacin de

aisladores elastomricos en un hospital.

(figura 4). Aislador de caucho natural



(Figura 5). USC Teaching Hospital (USA)

En cuanto a los aisladores de friccin se cuenta con los apoyos deslizantes (figura 6 ) y

los apoyos basculantes tipo pndulo de friccin (figura 7). En los apoyos deslizantes las

columnas descansan sobre elementos de deslizamiento de tefln o acero inoxidable y se

genera amortiguamiento por friccin. Los apoyos basculantes consisten en una base

cncava sobre la que se colocan un patn esfrico articulado y una platina de cubierta.

La base cncava tiene la funcin de restaurar la posicin original del sistema, mientras

que las superficies deslizantes, esferas, disipan energa por friccin. El movimiento que

se produce en el dispositivo durante la accin de un sismo es similar al movimiento de

un pndulo.

(figura 6 ). Aislador de friccin con apoyo deslizante



(figura 7 ). Aislador tipo pndulo de friccin

2.2.1.2. Sistemas de efecto de masa adicional

La tcnica de efecto de masa consiste en adicionar una masa al edificio para que vibre con la

misma frecuencia natural de vibracin de la estructura. Si la frecuencia del absorbedor adherido

a la estructura coincide con la frecuencia de excitacin, entonces la masa del sistema principal

permanece quieta, y el absorbedor genera en todo instante sobre la estructura fuerzas iguales y

contrarias a la excitacin (Frahm, 1909). Los TMDs han sido instalados en edificios tales como

las Petrona Twin Towers en Malasia, y el Oregon Convention Center (Figura 8) en Portland,

USA, y son efectivos para reducir las amplitudes de vibraciones producidas por trfico y viento.

(figura 8 ). Oregon Convention Center con sistema de TMDs

En los disipadores de masa sincronizada, la masa se adhiere a la estructura por medio de

resortes y amortiguadores que inducen fuerzas contrarias a la excitacin, reduciendo los

movimientos y desplazamientos impuestos por el sismo (figura 9). En el Japn se han dotado BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 21


varias edificaciones con esta tcnica; la torre Landmark de Yokohama de 75 pisos (figura 10).

posee en su ltimo piso un amortiguador de masa sincronizada (tunned mass damper), para

controlar las vibraciones debidas al viento y al sismo, evitar problemas estructurales y otorgar

comodidad a los usuarios de la edificacin.

(figura 9 ). Tcnica de masa adicional

(figura 10 ). torre Landmark de Yokohama de 75 pisos



Dentro de estos amortiguadores de masa sincronizada tambin se pueden considerar los de

lquido sincronizado (tunned liquid damper). Estos son amortiguadores que aprovechan la

frecuencia de vibracin del oleaje de un lquido contenido en tanques u otros depsitos que se

sitan, generalmente, en el ltimo piso de la estructura. El oleaje dentro del tanque produce una

serie de frecuencias de vibracin que reduce la respuesta de la estructura ante la excitacin. Una

variante de este tipo de amortiguadores es el amortiguador de columna de lquido sincronizado

(tunned liquid column damper), que imparte amortiguamiento adicional al disipar energa

mediante el paso del agua por unos orificios acompaado de una prdida de cabeza, para

mejorar el desempeo estructural de la edificacin. Ejemplos de estructuras con amortiguadores

de lquido sintonizado incluyen la torre del aeropuerto de Nagasaki, el Shin Yokohama Prince

Hotel en Japn, y la Torre Millenium en Japn (Figura 11), proyectada para tener 840 metros de

altura, utilizando agua en anillos perimetrales a diferentes alturas para minimizar las vibraciones

inducidas por viento.

(figura 11 ). Torre Millenium (a construirse en Japn)



2.2.1.3. Sistemas de control pasivo con disipacin de energa Los Sistemas de control pasivo con disipacin de energa son dispositivos diseados para

absorber la mayora de la energa ssmica, evitando as que sta sea disipada mediante

deformaciones inelsticas en los elementos estructurales.

Estos sitemas se clasifican en cuatro categoras: histerticos, de fluidos, viscoelsticos y de

friccin (figura 12). Por lo general, se instalan en riostras diagonales dentro de los prticos de la

estructura o como complemento al sistema de aislamiento ssmico en la base, entre la fundacin

y la plataforma de aislamiento, como se mostr en la figura 2.

(figura 12). Tcnica de control pasivo con disipacin de energa

Entre los principales dispositivos para el control pasivo se resaltan por su economa y

funcionalidad los disipadores metlicos, histerticos, basados en deformacin plstica;

especialmente los de acero que, debido a su homogeneidad, se convierten en un tipo de

disipador de fcil caracterizacin mecnica. Algunos de los disipadores metlicos de acero

usados en el mundo son las placas a flexin, los amortiguadores torsionales de barras, los

anillos amortiguadores de fluencia y las riostras metlicas. En la (figura 13) se presenta una

estructura metlica donde se utilizaron amortiguadores de fluencia. BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 24


(figura 13). Amortiguador de fluencia. Ski dome Japn.

La (figura 14 ) muestra un disipador de placas a flexin tipo ADAS, formado por un conjunto de

placas en forma de I dispuestas a flexin fuera de su plano donde concentran la energa por

deformacin plstica de la zona delgada. En la (figura 15) se muestran el disipador tipo TADAS y

el disipador tipo panel, constituido por placas alineadas que trabajan en su plano.

Figura 14. Disipador tipo ADAS. (Tomado de Aiken et al., 1993)



Figura 15. Disipador histertico metlico. Tadas y tipo panel

Otra clase de disipador histertico la forman las riostras metlicas (figura 16). Estn constituidas

por un elemento rigidizador que contiene un dispositivo disipador compuesto por un ncleo de

acero, restringido lateralmente al pandeo por medio de un material de confinamiento, y un tubo

metlico externo. El ncleo de acero soporta las fuerzas transmitidas por la riostra, dndose la

disipacin de energa por fluencia, al verse sometido ya sea a efectos de flexin, cortante o

deformacin axial, dependiendo de la forma geomtrica de la riostra y de su instalacin en los

prticos. Un modo de falla puede ser ms eficiente que otro, de all la correcta eleccin del

dispositivo usado de acuerdo con el planteamiento estructural y arquitectnico de la edificacin.

Para el adecuado funcionamiento de la riostra como disipador de energa se requiere que no

haya adherencia entre el ncleo de acero y el material de confinamiento; de esta manera, slo el

ncleo toma y soporta las fuerzas. Como material de confinamiento se utiliza un mortero de

cemento Prtland.



(Figura 16). Disipador tipo riostra metlica con restriccin al pandeo.

Los disipadores viscoelsticos no slo se han utilizado contra los sismos, sino tambin para el

control de vibraciones inducidas por viento. Los materiales viscoelsticos son generalmente

polmeros que, al ser deformados por cortante, ofrecen capacidad de disipacin de energa. La

(figura 17) muestra el esquema tpico de estos dispositivos en los que la disipacin tiene lugar

cuando existe desplazamiento relativo entre las placas de acero externas y el material

viscoelstico interno. En el diseo se deben tomar las previsiones necesarias contra los cambios

fuertes de temperatura, deformaciones excesivas y frecuencia de vibracin, ya que pueden

modificar el comportamiento del dispositivo.

Figura 17. Disipadores viscoelsticos (tomado de Kitamura et al., 1991)

Los disipadores de fluidos viscosos se basan en la respuesta elstica de un lquido viscoso. Uno

de los amortiguadores viscosos de mayor uso es el dispositivo compuesto por un pistn inmerso



en un fluido viscoelstico. Al generarse un desplazamiento interno del pistn, el fluido es forzado

a pasar por un grupo de pequeos orificios, lo que da como resultado disipacin de energa. Este

dispositivo es muy eficiente, puesto que cubre un amplio rango de frecuencias, as que sirve para

un mayor rango de sismos. La (figura 18) muestra el esquema general de un disipador tipo

viscoso.

Su aplicacin en la ingeniera civil comenz en 1969 cuando aproximadamente diez mil

amortiguadores viscoelsticos fueron instalados en las torres gemelas (figura 18) del World

Trade Center en New York para reducir las vibraciones inducidas por viento.

Figura 18. Disipadores viscosos

Los disipadores de friccin trabajan por la friccin generada entre dos miembros mientras uno

desliza contra el otro, disipando la energa ssmica por calor. El diseador debe conocer el nivel

de fuerza exacto en que se rompe la esttica y comienza el deslizamiento entre las dos placas,

tanto para sismos pequeos como para grandes.

En los ltimos aos se han acondicionado numerosos edificios con estos dispositivos para

aumentar su proteccin ssmica, en particular en Canad y Japn. Entre los numerosos casos

est la estructura metlica de la Canadian Space Agency en Montreal y el Hotel Atami Korakuen

en Takenaka, Japn (figura 19).



Figura 19. Hotel Atami Korakuen Japn, cuenta on disipadores de friccin.

2.2.2. Sistemas de control activo Un sistema de control activo requiere de una fuente externa de potencia para alimentar los

actuadores que aplican fuerzas a la estructura. Estas fuerzas pueden ser usadas tanto para

suministrar como para disipar energa en la estructura. En un sistema de control activo con

retroalimentacin, las seales enviadas a los actuadores de control son funcin de las

respuestas (normalmente movimientos) de la estructura, medidas con sensores fsicos.

Los sistemas de control activo son usados para atenuar la respuesta de estructuras sometidas a

excitaciones internas o externas, tales como maquinaria o trfico, vientos y sismos, para

aumentar la seguridad o nivel de comodidad de sus ocupantes. Estos sistemas normalmente

consisten en actuadores que imparten una fuerza o movimiento a la estructura, en direccin

opuesta a la vibracin (Figura 20). La accin apropiada de control se determina mediante la

medicin de la respuesta dinmica de la estructura. Actuadores tales como tendones activos,

tirantes activos, y sistemas de amortiguadores de masa activos, que pueden emplear accin

hidrulica, neumtica, o electromagntica, son empleados para el control estructural activo.



Figura 20. Representacin de un sistema de control activo

El esquema describe el proceso. Los sensores instalados en la estructura miden las excitaciones

externas y la respuesta dinmica de la estructura; los dispositivos de procesamiento en tiempo

real procesan la informacin proveniente de los sensores y calculan las fuerzas de control

necesarias para estabilizar la estructura; finalmente los actuadores generan las fuerzas

necesarias para contrarrestar los movimientos ssmicos, tal como se muestra en la (figura 21).

Figura 21. Esquema del proceso de un sistema de control activo



Las fuerzas de control pueden ser aplicadas a la estructura mediante una masa activa (AMD),

arriostres activos (ABS), o tendones activos. Los osciladores de masa activa (AMD) proporcionan

la forma ms simple y compacta de aplicar las fuerzas de control a una estructura. Los arriostres

y tendones activos requieren un diseo ms complicado y se encuentran actualmente en nivel

experimental.

El edificio Kyobashi Seiwa (figura 22) es la primera aplicacin a escala natural de la tecnologa

del control activo. Este edificio ubicado en Tokio, Japn, se termin de construir en 1989. El

sistema activo est conformado por dos osciladores AMD, uno principal para controlar el

movimiento transversal, y otro secundario para reducir los movimientos torsionales. El objetivo

del sistema instalado en el edificio es reducir las vibraciones producidas por vientos fuertes y

solicitaciones ssmicas moderadas, con el fin de incrementar el confort de sus ocupantes.

Figura 22. Ssitema activo AMD en el edificio Kyobashi Seiwa en Japn.

Una caracterstica esencial de los sistemas de control activo es que requieren una fuente externa

de energa para su funcionamiento y, por lo tanto, son vulnerables a cortes en el flujo elctrico, lo

que es altamente probable durante sismos. Estos sistemas pueden mejorar la respuesta

dinmica de una estructura pero una de sus grandes desventajas es que tambin lo pueden

empeorar en el sentido de que se pueden volver inestables e introducir energa cintica adicional

al sistema. Otras limitaciones del control activo es la dificultad de obtener un modelo adecuado



de la estructura para el diseo del controlador y la dificultad en la medicin de desplazamientos y

velocidades de la estructura. Debido a lo anterior, la extensin del diseo estructural para

incorporar conceptos de control con retroalimentacin debe estar acompaada por un

compromiso con la investigacin y el desarrollo tecnolgico.

A pesar de que an existen varios aspectos no resueltos para la aplicacin de sistemas de

control activo en estructuras civiles, el futuro es prometedor y se ha avanzado significativamente

en la investigacin de las metodologas de control activo para estructuras, incluyendo control

ptimo, control estocstico, control adaptivo, control inteligente con lgica difusa y redes

neuronales, control de estructura variable, y control robusto. Las estrategias hbridas y de control

semiactivo tienen el potencial de proveer soluciones a varios de los retos de esta tecnologa.

2.2.3. Sistemas de control hbrido Las estrategias de control hbrido han sido estudiadas por varios investigadores debido a su

potencial de aumentar la fiabilidad y eficiencia de la estructura controlada. Un sistema de control

hbrido consiste en dos o ms dispositivos pasivos, activos o semiactivos. Debido a la

implicacin de mltiples dispositivos de control funcionando simultneamente, los sistemas de

control hbrido pueden aliviar algunas de las restricciones y limitaciones que existen cuando slo

uno de los sistemas es utilizado. Adems, el sistema de control hbrido puede ser ms fiable que

un sistema totalmente activo, aunque muchas veces resulta siendo ms complejo. En la (figura

23) se presenta el esquema de un sistema hbrido.

Figura 23. Esquema del proceso de un sistema de control hbrido.



La investigacin en el rea de sistemas de control hbrido ha sido enfocada principalmente hacia

los sistemas hbridos con amortiguadores de masa (HMD) y sistemas con aislamiento de base

activo (figura 24). El oscilador hbrido HMD (Hybrid Mass Damper) es el resultado de la

combinacin de un oscilador resonante (TMD) y un actuador de control activo. Este dispositivo

se instal en el edificio Shinjuku Tower (Japn) (figura 25). La capacidad de este dispositivo

para reducir la respuesta estructural radica principalmente en el movimiento natural del oscilador

resonante. Las fuerzas de control generadas por el actuador son empleadas slo para mejorar el

desempeo del oscilador resonante, incrementando la eficiencia del sistema y permitiendo su

adaptabilidad a los cambios en las caractersticas dinmicas de la estructura.

Figura 24. Aislamiento de base con control activo del desplazamiento

Figura 25. Shinjuku Tower (Japn)

Sistema HMD implementado en el edificio (imagen derecha)



2.2.4. Sistemas de control semiactivo Los sistemas de control semiactivo han recibido mucha atencin durante los ltimos aos debido

a que ofrecen la adaptabilidad de los sistemas de control activo sin las exigencias de energa

asociadas con stos. Muchos de estos sistemas semiactivos operan con la energa de una

batera, lo que puede ser muy favorable durante eventos ssmicos cuando la principal fuente de

energa elctrica puede fallar. Segn las definiciones, un dispositivo de control semiactivo no

puede aumentar la energa mecnica en el sistema controlado (incluyendo estructura y

dispositivo), pero tiene propiedades que pueden ser variadas dinmicamente para reducir la

respuesta de un sistema estructural. Por lo tanto, a diferencia de los sistemas de control activo,

los dispositivos de control semiactivo no pueden desestabilizar el sistema estructural.

Los sistemas semiactivos tienen un mejor rendimiento que los dispositivos pasivos y a veces an

mejor que los sistemas completamente activos, permitiendo as la posibilidad de una reduccin

efectiva de la respuesta de la estructura bajo una amplia gama de condiciones de cargas

dinmicas, en la (figura 26) se muestra la configuracin de estos sistemas.

Figura 26. Esquema del proceso de un sistema de control semiactivo.

Algunos ejemplos de estos sistemas son los dispositivos de friccin, dispositivos de lquidos

controlables, amortiguadores de fluidos con orificio variable, dispositivos de aleaciones con

memoria de forma, y dispositivos de fluidos controlables. La caracterstica principal de los

fluidos controlables es la habilidad que poseen para cambiar reversiblemente de un fluido

viscoso lineal a un semislido cuando son expuestos a un campo magntico o elctrico. El futuro

de estos fluidos para aplicaciones de control estructural es muy positivo. Los amortiguadores de



fluidos con orificio variable permiten alterar la resistencia del caudal de un fluido hidrulico y han

sido efectivos para controlar la respuesta ssmica de edificios.

El dispositivo denominado VSD (variable stiffness) es un sistema prototipo de los sistemas

semiactivos que permite introducir o liberar la actuacin de un brazo rigidizador entre dos

plantas; Kajima Corporation construy en Japn un edificio de tres plantas equipado con este

dispositivo, capaz de resistir fuertes vientos y terremotos extremos, cuyo esquema de

funcionamiento se muestra en la (figura 27).

Figura 27 . Control estructural semiactivo mediante un amortiguador MR.

Los dispositivos de aleaciones con memoria de forma son otros sistemas con un gran potencial

para el control estructural semiactivo, ya que se pueden usar como sistemas de rigidez variable.

En la Universidad del Valle de Colombia se est investigando un sistema de control semiactivo

en aleacin con memoria de forma (AMF) Nquel- Titanio, el cual tiene la capacidad de cambiar

su rigidez en presencia de un estmulo (voltaje), con el fin de variar la frecuencia natural de la

estructura dependiendo de la frecuencia de excitacin, evitando la posibilidad de una situacin

de resonancia.



2.3. PERSPECTIVAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL

En los ltimos 25 aos de historia de control estructural han sido propuestos y desarrollados

numerosos dispositivos para mejorar la respuesta de estructuras civiles sometidas a cargas

dinmicas. Actualmente ningn sistema o dispositivo en particular es el mejor para todos los

diseos y, en consecuencia, se han presentado una gama de alternativas en va de desarrollo.

Es importante enfatizar que esta tecnologa an est evolucionando y se esperan mejoras

significativas tanto en los dispositivos como en los procedimientos correspondientes de diseo

en los prximos aos. En particular, la incorporacin de requisitos en los cdigos de construccin

para la implementacin de estos sistemas de control estructural es un paso que ya se est

dando en pases como Estados Unidos y Japn.

Una de las recomendaciones para un buen diseo estructural consiste en minimizar la energa

mecnica en la estructura, que se compone de la energa cintica y la energa potencial o de

deformacin. Para una estructura completamente rgida, la energa cintica es mxima y la

energa potencial o deformacin es cero. Por otro lado, para un sistema ideal, completamente

aislado en la base, se tendr cero de energa cintica y cero de energa potencial o de

deformacin. Si la energa de deformacin es cero, la estructura no tendra forma de fallar

(Wilson, 2000). Con este razonamiento simple, se confirma la validez del uso de los sistemas de

control de respuesta ssmica en el diseo de edificaciones.



CAPITULO III

AISLAMIENTO SSMICO DE BASE

En este captulo se tratar ms a fondo el aislamiento ssmico de base y particularmente los

aisladores elastomricos con ncleo de plomo, que son los que se ha utilizado en este proyecto.

Los aisladores de base se basan en el concepto de la reduccin de la demanda ssmica. Estos

sistemas tienen como finalidad aislar la cimentacin de la superestructura. Al colocarlos se

alarga considerablemente el perodo fundamental de vibracin de la estructura llevndolo a

zonas en donde las aceleraciones espectrales son reducidas y, consecuentemente, las fuerzas

que producen resultan de menor cuanta. Como la frecuencia disminuye, las aceleraciones

introducidas disminuyen al igual que los efectos dainos del movimiento del suelo en la

estructura. El mayor beneficio se encuentra en estructuras con perodos del orden de un

segundo o un poco menor, o edificios con ciertas caractersticas en donde se acenta la torsin.

Existen varios tipos de aisladores de base, pero los ms conocidos son los aisladores

elastomricos convencionales, aisladores ssmicos con ncleo de plomo y los aisladores de

pndulo friccional. Algunas de las razones de su amplio uso como sistemas de proteccin

ssmica son:

El respaldo terico y experimental que existe en los tres sistemas, existen estudios de

importantes autores y universidades que permiten contar con datos confiables y

comprobados. Adems estos estudios y experimentaciones se vienen realizando hace

ya bastantes aos.

La mayora de los edificios aislados en el mundo estn sobre algn tipo de estos

aisladores, existiendo parmetros de comportamiento. Ellos han demostrado

proporcionar un buen desempeo ssmico en las estructuras en que se han

implementado, visto tanto en los sismos de Northridge (Los ngeles, 1994) y Kobe

(Kobe, 1995), mostrando las bondades de esta alternativas en cuanto a aumentar

considerablemente el nivel de seguridad para las estructura, las personas y la



operabilidad despus de un sismo, un ejemplo de ello es que de los 10 hospitales

afectados en el terremoto de Los ngeles (enero de 1994), slo el hospital con

aislamiento de base, University of Southern California Teaching Hospital, continu en

servicio. Durante el sismo de Los ngeles, la aceleracin pico del suelo fue de 0.49 g,

mientras que las aceleraciones dentro del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g.

Figura 28 . Espectro de aceleracin para distintos valores de amortiguamiento.

3.1. TIPOS DE AISLADORES DE BASE Como se indic anteriormente, los aisladores de base ms usado en la mayora de pases son

tres: aisladores elastomricos, aisladores de goma con ncleo de plomo y los aisladores

friccionales.



3.1.1.- AISLADORES ELASTOMERICOS (LDR) El apoyo de goma laminada est compuesto por capas alternas de goma y placas de acero

unidas entre s por un proceso de vulcanizacin, como se muestra en la (figura 29) De este

modo, la rigidez del apoyo es controlada por el espesor de las capas de goma. As, mientras ms

gruesas son estas capas ms flexibles es el apoyo en la direccin horizontal. En cambio, la

rigidez vertical del apoyo es controlada por la alta rigidez en planta de las placas de acero que

inhibe la expansin lateral de la goma que resulta de la presin vertical El apoyo de goma tiene

dos funciones, flexibilidad y amortiguamiento como una propiedad intrnseca de la misma goma,

la cual consecuentemente elimina la necesidad de sistemas de apoyo y amortiguamiento por

separado. Esta simplicidad provee varias ventajas, incluyendo una reduccin en el costo

concerniente a dispositivos, construccin y mantencin.

Figura 29. Esquema Aislador Elastomrico. (Desarrollo y fabricacin de aisladores ssmicos para Edificio

Habitacional)



3.1.2.- AISLADORES DE GOMA CON NUCLEO DE PLOMO (LRB) Los aisladores con ncleo de plomo son conexiones multicapas de goma y acero intercaladas

parecidas al LDR, pero estos tienen uno o ms orificios circulares en donde se introducen los

tapones de plomo, para entregar mayor amortiguacin al sistema de aislacin. Por lo general el

sistema cuenta con un solo ncleo de plomo inserto en el centro del aislador. Un corte

esquemtico de un LRB es presentado en la (figura 30)

Figura 30. Corte esquemtico de aislador con ncleo de plomo donde se aprecia la disposicin de las lminas

de goma-acero, y del ncleo de plomo.

El uso de los aisladores elastomricos convencionales resulta eficiente en trminos de incorporar

flexibilidad a la estructura y aumentar el perodo, pero no consiguen agregar una cantidad

importante de amortiguamiento adicional y presentan deformaciones considerables ante cargas

deservicio. Estas consecuencias negativas se logran remediar incorporando un ncleo de plomo

al dispositivo, dadas las buenas propiedades mecnicas que posee el plomo. Entre las

caractersticas del plomo que influyen en el buen comportamiento de estos aisladores, se puede

mencionar la baja tensin de fluencia (10 Mpa aproximadamente), una alta rigidez inicial al corte

(G cercano a 130 Mpa), un comportamiento elasto-plstico y buenas condiciones de fatiga ante

ciclos de carga. Adems, la baja tensin de fluencia implica que una vez alcanzado tal nivel de

esfuerzos, la rigidez del aislador ser igual a la de la goma.



Debido a las ventajas que presenta este tipo de aislador, se ha elegido para realizar la

modelacin del edificio en estudio y as cuantificar los beneficios reales de aplicar esta

tecnologa para la proteccin de la edificaciones, de sus contenidos y sobre todo de las personas

que las habitan. En la (figura 31) se muestra el Hospital de la Universidad de Kyorin

Figura 31. Hospital de la Universidad de Kyorin

3.1.3.- AISLADORES DE FRICCION (FPS) Este tipo de aisladores utilizan las caractersticas de un pndulo simple para incrementar el

periodo natural de una estructura aislada, el periodo de la estructura se selecciona simplemente

escogiendo el radio de curvatura de la superficie cncava del aislador. Bsicamente estos

dispositivos son de acero inoxidable y constan de una superficie cncava, un patn esfrico

articulado y una platina de cubierta (figura 32). Durante un sismo, el patn articulado se desliza

en la superficie cncava generando en la estructura soportada pequeos movimientos de

pndulo. La disipacin de energa se logra mediante la fuerza de friccin dinmica, la cual

genera el amortiguamiento necesario para absorber la energa de entrada. En consecuencia, las

fuerzas y movimientos laterales transmitidos a la estructura se reducen en gran proporcin, pues

las grandes deformaciones de desplazamiento son soportadas por los aisladores.



Figura 32. Aislador de friccin pndulo simple

El uso de los aisladores tipo Pndulo Friccional cada vez es mayor, estos dispositivos han sido

implementados con xito en Edificios, puentes, aeropuertos, complejos industriales, plataformas

de perforacin petrolera e inclusive en obras de arte.

El Pasadera City Hall en California es un claro ejemplo de que los aisladores de base funcionan

muy bien cuando son incorporados en estructuras ya existentes. Este emblemtico edificio sufri

daos tras el sismo de Northridge en 1994 y a partir de esa fecha comenzaron las

investigaciones para determinar cual era la mejor alternativa para protegerlo contra eventos

ssmicos futuros. Uno de los principales retos que tuvieron los investigadores y diseadores fue

que la estructura estaba dentro de la lista de patrimonios culturales, por lo tanto, las

intervenciones estructurales de ninguna manera

podan modificar su arquitectura.



Figura 33. Pasadena City Hall, California

El Aeropuerto Internacional de San Francisco fue diseado para resistir un sismo de magnitud 8,

considerando su cercana a la falla de San Andrs. Los 267 Pndulos de Friccin, protegen a

este edificio de los movimientos severos de la tierra cuando ocurre un sismo fuerte. Este sistema

de aislamiento ha sido el de menor costo, y provee el comportamiento ssmico deseado. El uso

de aisladores tipo FPS en lugar de aisladores elastomricos, ha permitido la disminucin en el

tamao de vigas y columnas, con lo cual se ahorraron 600 toneladas adicionales de acero

estructural.

Figura 33. Aeropuerto Internacional de San Francisco



3.2. COMPORTAMIENTO DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS Un apoyo flexible produce que el perodo de vibracin del sistema total se incremente lo

suficiente para reducir la respuesta. La (figura 34) muestra uno de los principales fundamentos

de la aislacin ssmica. Donde la flexibilidad adicional produce una rpida reduccin en la

aceleracin transmitida a la estructura aislada con el aumento del perodo. Este efecto es

equivalente al edificio que se aproxima al estado donde quedan fijos en el espacio mientras la

tierra se mueve de un lado para otro bajo l. Con ello se hacen substanciales reducciones de

corte basal, ya que el perodo de vibracin se alarga, pero el grado de reduccin depende del

perodo inicial de la base fija y de la forma de la curva del espectro de respuesta.

Figura 34. Efecto del perodo y el amortiguamiento sobre la aceleracin

Sin embargo, el aumento de flexibilidad produce grandes desplazamientos por efecto de la

fundacin flexible. En la figura 35 se muestra una curva idealizada de respuesta de

desplazamiento, donde se aprecia que ste aumenta con el aumento del perodo y el

efecto del amortiguamiento para controlar el desplazamiento. Estos grandes

desplazamientos pueden ser reducidos si se introduce un amortiguamiento adicional a

nivel de fundacin.



Figura 35. Efecto del periodo y amortiguamiento sobre el desplazamiento

En la (figura 36), se presentar un grfico de factor de reduccin de la respuesta espectral, valor que deber

multiplicarse al espectro para su modificacin de acuerdo al amortiguamiento del sistema de aislacin.

Figura 36. Factor de modificacin de respuesta espectral 1/BD y parmetro de reduccin de desplazamiento

B0

En la (Figura 37) se puede apreciar como en la estructura convencional las deformaciones

se dan mayormente en la estructura. En tanto, en la (Figura 38) , las deformaciones se dan BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 45


casi en su totalidad en la base, con mnimas deformaciones en la superestructura. Si

observamos la (Figura 39) la deformada es triangular y la (Figura 40) es cercana a un

rectngulo, de esto tambin podramos decir que la estructura convencional presenta

amplificaciones, en la aceleracin y desplazamientos, segn la altura del edificio va

aumentando, mientras que la estructura aislada no presenta amplificaciones de este tipo.

Figura 37. Estructura convencional Figura 38. Estructura con aislacin ssmica

Figura 39. Deformacin en la estructura convencional Figura 40. Deformacin en la estructura con

aisladores



CAPITULO IV

CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y

ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO

4.1. CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO TRADICIONAL

El edificio de pabellones

informe de sustentacion 1

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