dispositivos viscoelásticos para protección sísmica de edificios
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Presentado en XI-SIBIS, Undécimo Seminario Iberoamericano <strong>de</strong> Ingeniería Sísmica y<br />
6to. EIPAC 2003, Sexto Encuentro <strong>de</strong> Investigadores y Profesionales Argentinos <strong>de</strong> la Construcción, Mendoza,<br />
Argentina 25 al 27 <strong>de</strong> Agosto <strong>de</strong> 2003<br />
DISPOSITIVOS VISCOELÁSTICOS PARA PROTECCIÓN SÍSMICA DE EDIFICIOS:<br />
RESIDENCIA ESTUDIANTIL EN MENDOZA, ARGENTINA<br />
Dr.-Ing. José E. Stuardi<br />
GERB Argentina S.A.<br />
Facultad <strong>de</strong> Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional <strong>de</strong> Córdoba, Argentina.<br />
jose_stuardi@gerb.com.ar<br />
RESUMEN<br />
Se sintetizan los cálculos que condujeron a la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> <strong>protección</strong> sismoresistente<br />
<strong>de</strong> la Torre 3 <strong>de</strong> la Resi<strong>de</strong>ncia Estudiantil <strong>de</strong> la Universidad Tecnológica Nacional en Mendoza,<br />
mediante la incorporación <strong>de</strong> aisladores <strong>de</strong> base. Se discute la incorporación <strong>de</strong> diferentes tipos <strong>de</strong><br />
aisladores: elastoméricos y aisladores compuestos por resortes helicoidales y amortiguadores en<br />
base <strong>de</strong> fluido viscoso. Los cálculos se realizan a partir <strong>de</strong> un mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> elementos finitos y<br />
mediante integración <strong>de</strong> las ecuaciones <strong>de</strong> movimiento en el dominio <strong>de</strong>l tiempo, utilizando<br />
acelerogramas reales. Se muestra la respuesta <strong>sísmica</strong> <strong>de</strong>l edificio, mediante histogramas,<br />
diagramas <strong>de</strong> fase y diagramas <strong>de</strong> esfuerzos, que dan una perspectiva global <strong>de</strong> la conveniencia en<br />
la utilización <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> aislamiento. Se hace especial énfasis en las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la<br />
estrategia <strong>de</strong> aislamiento <strong>de</strong>l tipo 3-D utilizada, en com<strong>para</strong>ción con los <strong>dispositivos</strong> <strong>de</strong> aislamiento<br />
flexibles sólo en la dirección horizontal.<br />
PALABRAS CLAVES: aislamiento sísmico, disipación <strong>de</strong> energía, aisladores <strong>de</strong> resorte,<br />
amortiguadores, respuesta <strong>sísmica</strong>.<br />
1
1. INTRODUCCIÓN<br />
El diseño estructural sismoresistente tradicional se basa en la redundancia o hiperestaticidad,<br />
combinada con la <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> ductilidad intrínseca <strong>de</strong> la misma estructura. En los cálculos la<br />
ductilidad es a menudo supuesta a partir <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> construcción <strong>de</strong> manera algo empírica, y sus<br />
verda<strong>de</strong>ros valores son a menudo dudosos. Por otro lado, la utilización <strong>de</strong> la ductilidad bajo la<br />
forma <strong>de</strong> reserva estructural conduce a daños en elementos no estructurales y estructurales.<br />
El objetivo principal <strong>de</strong>l cálculo sismoresistente es la reducción en las aceleraciones y esfuerzos en<br />
la estructura. Se evitan <strong>de</strong> esta forma acci<strong>de</strong>ntes y <strong>de</strong>cesos causados por pánico, se preservan los<br />
muchas veces muy valiosos contenidos <strong>de</strong> los <strong>edificios</strong> y se asegura una continuidad en las<br />
activida<strong>de</strong>s y en la operatividad <strong>de</strong>l edificio. La reducción <strong>de</strong> esfuerzos conlleva, al menos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el<br />
punto <strong>de</strong> vista técnico, a una posible disminución <strong>de</strong> las secciones y <strong>de</strong>l costo o bien a menores<br />
daños y costos <strong>de</strong> mantenimiento. Estos aspectos evi<strong>de</strong>ncian la conveniencia técnica <strong>de</strong> la<br />
adopción <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong> <strong>protección</strong> <strong>sísmica</strong> mo<strong>de</strong>rnos, en don<strong>de</strong> las <strong>de</strong>mandas <strong>de</strong> ductilidad se<br />
concentran en <strong>dispositivos</strong> mecánicos diseñados y probados <strong>para</strong> cumplir fines específicos, ya sea<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>sacoplamiento <strong>de</strong> la estructura respecto <strong>de</strong> los movimientos <strong>de</strong>l suelo o <strong>de</strong> la disipación <strong>de</strong> la<br />
energía <strong>sísmica</strong>.<br />
En los sistemas <strong>de</strong> <strong>protección</strong> <strong>sísmica</strong> <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> aislamiento <strong>de</strong> base, el <strong>de</strong>sacoplamiento ha sido<br />
ya <strong>de</strong>s<strong>de</strong> hace años logrado por la interposición <strong>de</strong> un medio horizontalmente flexible en la<br />
fundación <strong>de</strong>l edificio [1], obteniendo así una frecuencia propia baja horizontal <strong>de</strong>l sistema dinámico.<br />
El modo estructural asociado es prácticamente un <strong>de</strong>splazamiento horizontal <strong>de</strong> cuerpo rígido, <strong>de</strong><br />
manera que las <strong>de</strong>formaciones se concentran en los aisladores y los esfuerzos son reducidos en la<br />
superestructura. Las aceleraciones en la base <strong>de</strong>l edificio son reducidas en virtud <strong>de</strong>l sistema<br />
dinámico formado, sólo <strong>para</strong> frecuencias largamente superiores a la frecuencia <strong>de</strong>l modo<br />
consi<strong>de</strong>rado. Las amplificaciones dinámicas <strong>para</strong> frecuencias cercanas a las <strong>de</strong> resonancia <strong>de</strong>ben<br />
ser evitadas, lo que conduce a la incorporación <strong>de</strong> amortiguamiento en la base. En los aisladores<br />
tradicionales <strong>de</strong> elastómero, este amortiguamiento es provisto por el mismo material, y en cantidad<br />
<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> las composiciones <strong>de</strong> la mezcla, o bien por el agregado <strong>de</strong> <strong>dispositivos</strong> <strong>de</strong><br />
disipación especiales, como los <strong>de</strong> fluencia <strong>de</strong> metales [2].<br />
Para el caso <strong>de</strong> <strong>edificios</strong> <strong>de</strong> gran altura un aislamiento <strong>de</strong> base conduciría a una pérdida <strong>de</strong> la<br />
estabilidad global, por lo que las medidas se reducen a incluir los disipadores <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la misma<br />
estructura, <strong>de</strong> manera <strong>de</strong> disipar energía en forma estable y confiable.<br />
En otro ámbito <strong>de</strong> aplicación, la fundación elástica <strong>de</strong> maquinaria pesada sobre elementos<br />
mecánicos tales como resortes y amortiguadores viscosos es una i<strong>de</strong>a, que tiene sus orígenes a<br />
principios <strong>de</strong>l siglo pasado. En este caso, se aislan las vibraciones causadas por las máquinas <strong>para</strong><br />
mejorar las condiciones ambientales, o bien se aislan los equipos e instrumental sensible <strong>de</strong> las<br />
vibraciones presentes en sus apoyos. La técnica tuvo una rápida difusión en todo el mundo, por<br />
poseer variadas ventajas adicionales, muchas veces por encima <strong>de</strong>l objetivo básico perseguido <strong>de</strong>l<br />
aislamiento, como por ejemplo, la economía en el diseño <strong>de</strong>l bloque <strong>de</strong> fundación, o la <strong>protección</strong><br />
contra asentamientos diferenciales <strong>de</strong>l terreno. Utilizando la experiencia ganada en las últimas<br />
décadas en el aislamiento <strong>de</strong> máquinas y equipos en áreas <strong>sísmica</strong>s, (Fig. 1, Fig. 2), se transfiere<br />
finalmente la i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> la utilización <strong>de</strong> resortes helicoidales <strong>de</strong> acero y amortiguadores viscosos <strong>para</strong><br />
el aislamiento <strong>de</strong> base <strong>de</strong> <strong>edificios</strong> [3]. La primera estructura <strong>de</strong> uso habitacional así aislada es la<br />
Resi<strong>de</strong>ncia David Lowe en Los Ángeles, California (Fig. 3), la que soportó el terremoto <strong>de</strong><br />
Northridge <strong>de</strong> 1994 sin daños [4] y permanece actualmente en excelentes condiciones.<br />
2
Fig. 1: Aislador <strong>para</strong> <strong>protección</strong> sismoresistente en el montaje <strong>de</strong> un acelerador <strong>de</strong> iones Rumania)<br />
Fig. 2: Con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> alta tensión con <strong>protección</strong> sismoresistente (China)<br />
Fig. 3: Resi<strong>de</strong>ncia Lowe, Los Ángeles, California<br />
El uso <strong>de</strong> resortes y amortiguadores viscosos como aisladores <strong>de</strong> base <strong>de</strong>fine una estrategia<br />
diferenciada respecto <strong>de</strong> la habitual: la incorporación <strong>de</strong> elasticidad y amortiguamiento también en<br />
la dirección vertical <strong>de</strong>fine un sistema dinámico que <strong>de</strong>be necesariamente ser analizado en 3-D. El<br />
sistema fue <strong>de</strong>nominado como Sistema <strong>de</strong> Control <strong>de</strong> Base (Base Isolation System, B.C.S.) por la<br />
empresa Gerb Vibration Control Systems en Alemania.<br />
2. CARACTERÍSTICAS DE LOS AISLADORES RESORTE-AMORTIGUADOR, 3-D (B.C.S)<br />
El sistema <strong>de</strong> aislamiento <strong>de</strong> base es modular, <strong>de</strong> manera que la rigi<strong>de</strong>z es provista por una caja <strong>de</strong><br />
resortes, mientras que el amortiguamiento es provisto por amortiguadores viscosos in<strong>de</strong>pendientes.<br />
Los elementos <strong>de</strong> resortes están compuestos por carcazas metálicas que alojan y confinan<br />
convenientemente a un número variable <strong>de</strong> resortes, ver Fig. 4 , con variadas rigi<strong>de</strong>ces verticales y<br />
horizontales y con capacida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> carga vertical y horizontal a<strong>de</strong>cuadas al proyecto. Las cajas <strong>de</strong><br />
resortes pue<strong>de</strong>n ser pretensadas mediante bulones con la carga <strong>de</strong> diseño a efectos <strong>de</strong>l transporte,<br />
lo que a<strong>de</strong>más permite la construcción sobre una base <strong>de</strong> apoyo rígida hasta el final <strong>de</strong> obra. De<br />
igual manera, los aisladores pue<strong>de</strong>n ser en cualquier momento individualmente comprimidos<br />
mediante gatos hidráulicos, lo que permite su extracción y eventual reemplazo, <strong>para</strong> a<strong>de</strong>cuarse, por<br />
ejemplo, a condiciones <strong>de</strong> proyecto cambiantes.<br />
3
El principio fundamental <strong>de</strong>l aislamiento se conserva, <strong>de</strong> manera que el sistema dinámico se<br />
sintoniza a frecuencias propias horizontales bajas, <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 1 a 1,5 Hz. Des<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> vista<br />
<strong>de</strong> la dinámica estructural, la introducción <strong>de</strong> apoyos flexibles en la dirección vertical, con una<br />
frecuencia propia típica <strong>de</strong> 3 Hz, genera un aislamiento también <strong>para</strong> señales en esta dirección. Los<br />
modos horizontales contienen ahora una leve pendulación o rocking, este acoplamiento conduce a<br />
movimientos verticales causados por excitaciones horizontales. El sistema experimenta <strong>de</strong> esta<br />
forma <strong>de</strong>splazamientos horizontales que resultan mucho menores que en el caso <strong>de</strong> aisladores <strong>de</strong><br />
elastómero, no superando los ±100mm. La presencia <strong>de</strong> amortiguamiento vertical es un factor<br />
<strong>de</strong>cisivo <strong>para</strong> disipar energía y evitar así amplificaciones in<strong>de</strong>seadas.<br />
Fig. 4: Esquema <strong>de</strong> una caja <strong>de</strong> resortes típica<br />
Fig. 5: Esquema <strong>de</strong> un amortiguador viscoso 3-D, foto <strong>de</strong> un amortiguador viscoso Gerb.<br />
Los amortiguadores están compuestos por una carcaza inferior que contiene una masa viscosa. La<br />
masa posee una viscosidad y propieda<strong>de</strong>s prácticamente in<strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong> la temperatura. Des<strong>de</strong><br />
la carcaza superior se introduce un pistón <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la masa, mientras que un manguito <strong>de</strong><br />
<strong>protección</strong> vincula a ambas carcazas, sirviendo <strong>de</strong> <strong>protección</strong> a la masa viscosa frente a elementos<br />
extraños. El amortiguador genera una fuerza proporcional a la velocidad en las tres direcciones<br />
ortogonales. El tamaño, los <strong>de</strong>talles <strong>de</strong> construcción internos <strong>de</strong>l amortiguador y el tipo <strong>de</strong> masa<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n básicamente <strong>de</strong>l coeficiente <strong>de</strong> amortiguamiento requerido y <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazamientos<br />
máximos <strong>de</strong> diseño. La Fig. 5 muestra un amortiguador VISCO ® típico con un coeficiente <strong>de</strong><br />
amortiguamiento <strong>de</strong> 300 kNs/m en dirección vertical y 500 kNs/m en dirección horizontal.<br />
El sistema se <strong>de</strong>staca por su sencillez conceptual: los resortes tienen una relación carga<strong>de</strong>splazamiento<br />
lineal tanto en la dirección vertical como horizontal, mientras que los<br />
amortiguadores viscosos pue<strong>de</strong>n ser mo<strong>de</strong>lados en la mayoría <strong>de</strong> los programas <strong>de</strong> cálculo<br />
estructural hoy disponibles.<br />
3. EDIFICIO AISLADO Y MODELO DE ANÁLISIS<br />
El edificio es una estructura <strong>de</strong> hormigón armado con mampostería reforzada, con una planta <strong>de</strong><br />
7,30 x 7,80 m y una altura <strong>de</strong> 8,55 m. Tres estructuras similares fueron construidas, pero sólo la<br />
tercera torre ha sido provista <strong>de</strong> un sistema <strong>de</strong> aislamiento <strong>de</strong> base. Por razones normativas, la<br />
estructura <strong>de</strong> la torre aislada se mantuvo idéntica a las restantes, excepto el agregado <strong>de</strong> una viga<br />
perimetral <strong>para</strong> a<strong>de</strong>cuar la transmisión <strong>de</strong> cargas a una forma puntual, <strong>de</strong>bido a la presencia <strong>de</strong> los<br />
aisladores.<br />
4
El sistema <strong>de</strong> aislamiento elegido <strong>para</strong> la construcción fue el BCS, se utilizaron cuatro cajas <strong>de</strong><br />
resortes y cuatro amortiguadores en las esquinas <strong>de</strong> la planta, véase Fig. 6. El peso <strong>de</strong> la estructura<br />
consi<strong>de</strong>rando sobrecargas resultó <strong>de</strong> 2500 kN, y las diferencias <strong>de</strong> carga normal sobre los<br />
aisladores <strong>de</strong>bido a falta <strong>de</strong> simetría <strong>de</strong>l edificio fueron compensadas en un nivel <strong>de</strong> <strong>de</strong>talle <strong>de</strong>l<br />
proyecto con la incorporación <strong>de</strong> un diferente número <strong>de</strong> elementos en las cajas <strong>de</strong> resortes.<br />
Fig. 6: Esquema en planta <strong>de</strong>l edificio aislado con indicación <strong>de</strong> la ubicación <strong>de</strong> aisladores.<br />
El edificio fue mo<strong>de</strong>lado con elementos finitos utilizando el software comercial SAP 2000, la Fig. 7<br />
muestra una vista tridimensional <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo, don<strong>de</strong> se aprecian vigas, columnas y placas.<br />
Las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l hormigón fueron supuestas como: módulo <strong>de</strong> Young 27.500 MN/m 2 , módulo <strong>de</strong><br />
Poisson 0,2 y peso específico 24,5 kN/m 3 . A los efectos <strong>de</strong> este análisis com<strong>para</strong>tivo, no se<br />
consi<strong>de</strong>ró ninguna interacción <strong>de</strong>l edificio con el suelo.<br />
Fig. 7: Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Elementos Finitos <strong>de</strong>l edificio<br />
Las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los aisladores B.C.S. utilizados son: carga nominal típica: 768 kN, rigi<strong>de</strong>z<br />
vertical: 29,5 kN/mm, rigi<strong>de</strong>z horizontal: 3,94 kN/mm, dimensiones externas: 575 x 655 x 600 (h)<br />
mm. Los amortiguadores tienen constantes vertical: 180 kN s/m, horizontal 360 kN s/m, mientras<br />
que las dimensiones externas son: 646 x 542 x 600 (h) mm. El <strong>de</strong>splazamiento estático vertical <strong>de</strong><br />
proyecto resultó <strong>de</strong> 29 mm.<br />
Al momento <strong>de</strong>l proyecto se había ya consi<strong>de</strong>rado la colocación <strong>de</strong> aisladores <strong>de</strong> goma, más<br />
exactamente los <strong>de</strong>l tipo Neozelandés (NZ). El amortiguador NZ es básicamente un amortiguador<br />
elastomérico, pero posee la ventaja <strong>de</strong> un amortiguamiento incrementado <strong>de</strong>bido a la presencia <strong>de</strong><br />
un núcleo central <strong>de</strong> plomo, el que disipa energía por <strong>de</strong>formación plástica. La presencia <strong>de</strong><br />
5
amortiguamiento en los aisladores resulta especialmente importante en este caso, <strong>de</strong>bido al control<br />
sobre los <strong>de</strong>splazamientos que produce. La mo<strong>de</strong>lación habitual en este tipo <strong>de</strong> aisladores ha sido<br />
propuesta por Wen [5].<br />
Con fines com<strong>para</strong>tivos se utilizó en el presente trabajo un tipo <strong>de</strong> aislador NZ, cuyas<br />
características técnicas fueron las <strong>de</strong>l aislador consi<strong>de</strong>rado en el proceso <strong>de</strong> diseño. Los datos<br />
fueron suministrados por el propietario <strong>de</strong> la obra, y son los siguientes: rigi<strong>de</strong>z inicial 5,3 kN/mm,<br />
fuerza <strong>de</strong> fluencia 70,7 kN, relación <strong>de</strong> rigi<strong>de</strong>z post-fluencia 0,045 , diámetro <strong>de</strong>l núcleo <strong>de</strong> plomo<br />
100 mm, diámetro externo 600 mm y una altura total <strong>de</strong> 283 mm.<br />
4. ANÁLISIS REALIZADO<br />
El mo<strong>de</strong>lo fue analizado en el dominio <strong>de</strong>l tiempo, integrando las ecuaciones <strong>de</strong> movimiento en un<br />
subespacio reducido modal. A efectos <strong>de</strong> este estudio com<strong>para</strong>tivo se consi<strong>de</strong>raron los siguientes<br />
casos: a) edificio sin aislamiento, b) edificio sobre aisladores B.C.S. y c) edificio sobre aisladores<br />
N.Z.<br />
La acción <strong>sísmica</strong> sobre la estructura fue <strong>de</strong>finida sobre la base <strong>de</strong> un estudio <strong>de</strong> microzonificación<br />
<strong>de</strong>l año 1989 [6 ], teniendo en cuenta los terremotos importantes registrados en la zona, las fuentes<br />
sismogénicas potenciales <strong>de</strong>l Gran Mendoza y la caracterización <strong>de</strong> aquellas que puedan interesar<br />
a la estructura consi<strong>de</strong>rada. Teniendo en cuenta que la mayor contribución al peligro sísmico <strong>de</strong>l<br />
Gran Mendoza proviene <strong>de</strong> fallas superficiales y <strong>de</strong> la falla la Cal-Calle Perú, se seleccionaron once<br />
sismos reales, <strong>de</strong> manera <strong>de</strong> representar por medio <strong>de</strong> sus características al tipo <strong>de</strong> sismo<br />
esperado <strong>de</strong> la región. Con el objetivo <strong>de</strong> abarcar distintas posibilida<strong>de</strong>s, los registros poseen<br />
características diversas, pero en su mayoría correspon<strong>de</strong>n a sismos cercanos y presentan carácter<br />
impulsivo.<br />
De acuerdo con lo anteriormente expresado se seleccionaron las siguientes señales <strong>de</strong> la Tabla 1,<br />
las que han sido consi<strong>de</strong>radas también en su totalidad en este trabajo:<br />
Nº Evento Estación Fecha Comp. Mag<br />
Distancia<br />
Epicentral<br />
Km<br />
Tipo<br />
<strong>de</strong><br />
Suelo<br />
1 Cape Mendocino Cape Mendocino 25/04/92 N-S 7 8,5 roca 20<br />
2 Coalinga Trasmitter Hill 22/07/83 360º 5,7 9,2 roca 12<br />
3 Loma Prieta Corralitos 17/10/89 N-S 7,1 5,1 rígido 20<br />
4 Imperial Valley Array Nº 6 15/10/79 140º - - - - - 20<br />
Durac.<br />
seg<br />
5 Kobe Kobe Observ,JMA 17/01/95 N-S 6,9 0,60 rígido 15<br />
6 Chi-Chi Taiwan TCU 084 20/09/99<br />
E-W<br />
7,6 10,40 rígido 58<br />
7<br />
Northridge New<br />
Hall<br />
La Country Fire<br />
Station<br />
8 Cape Mendocino Petrolia 25/04/92 90º<br />
17/01/94 90º 6,6 - - - 20<br />
7<br />
7,1<br />
- - roca 25<br />
9 Northridge Sylmar 17/01/94 360º - - - 15<br />
10 Tabas Iran Tabas 9101 16/09/78 Transv, 7,4 3<br />
11 Imperial Valley El Centro 15/10/79 230º - - - -<br />
Tabla 1: Registros sísmicos reales seleccionados <strong>para</strong> el diseño.<br />
compactocompacto<br />
Las señales fueron consi<strong>de</strong>radas simultáneamente actuando en ambas direcciones horizontales,<br />
mientras que <strong>para</strong> la dirección vertical se seleccionó a la señal <strong>de</strong> mayor aceleración vertical. A<br />
efectos <strong>de</strong> su <strong>de</strong>scripción y <strong>de</strong> la interpretación <strong>de</strong> las respuestas sobre la estructura obtenidas, se<br />
presentan en Tabla 2 los valores máximos <strong>de</strong> aceleración, velocidad y <strong>de</strong>splazamiento, mientras<br />
25<br />
20<br />
6
que en la Fig. 9 se muestran los espectros <strong>de</strong> pseudoaceleraciones <strong>de</strong> los registros seleccionados.<br />
En negrita se han marcado sobre la Tabla 1 los nombres <strong>de</strong> los eventos con los que se los refiere<br />
en el resto <strong>de</strong>l informe.<br />
Nº Evento<br />
PGA<br />
g<br />
PGV<br />
cm/s<br />
PGD<br />
cm<br />
PGA-UP<br />
g<br />
1 Cape Mend 1,497 127,4 41 0,75<br />
2 Coalinga 1,083 39,7 5,4 0,39<br />
3 Corralitos 0,644 55,2 10,9 0,46<br />
4 Imperial 0,459 63,12 26,9 1,75<br />
5 Kobe 0,821 81,30 17,7 0,33<br />
6 Taiwan 0,821 81,3 31,4 0,35<br />
7 New Hall 0,583 74,84 17,6 0,60<br />
8 Petrolia 0,662 89,45 8,82 0,18<br />
9 Sylmar 0,843 128,9 32,5 0,58<br />
10 Tabas 0,852 121,4 94,6 0,69<br />
11 Centro 0,436 108,7 55,1 1,75<br />
Tabla 2: Aceleraciones, Velocida<strong>de</strong>s y Desplazamientos máximos <strong>de</strong> los terremotos.<br />
5. RESULTADOS OBTENIDOS<br />
En la Fig. 8 (a) se muestra el primer modo relevante <strong>de</strong>l edificio <strong>para</strong> el caso con fundación rígida,<br />
don<strong>de</strong> son obvias las <strong>de</strong>formaciones <strong>de</strong> entrepisos. En la misma figura <strong>de</strong>l lado <strong>de</strong>recho (b) se<br />
pue<strong>de</strong> observar el primer modo correspondiente al edificio sobre aisladores BCS, las <strong>de</strong>formaciones<br />
se concentran ahora al nivel <strong>de</strong> los aisladores, mientras que el edificio sufre distorsiones<br />
horizontales notablemente menores. La esquina superior <strong>de</strong>recha ha sido ampliada <strong>para</strong> una mejor<br />
visualización <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazamientos en el plano; <strong>de</strong>bido al efecto <strong>de</strong> pendulación los<br />
<strong>de</strong>splazamientos verticales resultan en este caso aproximadamente un 12% <strong>de</strong> los horizontales. La<br />
relación <strong>de</strong> amortiguamiento crítica <strong>de</strong>l modo resultó <strong>de</strong> 29%.<br />
(a) (b)<br />
Fig. 8: 1er. Modo relevante <strong>de</strong> la estructura con fundación rígida (5,32 Hz) y<br />
1er. Modo relevante <strong>de</strong> la estructura aislada con aisladores BCS (1,1 Hz)<br />
El control <strong>de</strong> la <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazamientos horizontales en los aisladores impuesta por el<br />
sistema es un factor limitante a tener en cuenta en el momento <strong>de</strong>l diseño. Debido a las<br />
características <strong>de</strong> las señales <strong>sísmica</strong>s, la selección <strong>de</strong> los aisladores tuvo que a<strong>de</strong>cuarse<br />
priorizando este aspecto técnico <strong>de</strong>l proyecto. Los resultados obtenidos con el mo<strong>de</strong>lo y <strong>de</strong>bido a<br />
los diferentes terremotos pue<strong>de</strong>n observarse en la Tabla 3.<br />
7
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
20<br />
10<br />
0<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Capem end<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
Corralitos<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
Kobe<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
New hall<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
Sylmar<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
Centro<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
Fig. 9: Espectros <strong>de</strong> pseudoaceleraciones <strong>de</strong> las señales <strong>sísmica</strong>s<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
20<br />
10<br />
0<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
20<br />
10<br />
0<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Coalinga<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
8<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
Im pe ria l<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
Taiw an<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]<br />
0<br />
P e trolia<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0,5 1 1,5 2 2,5<br />
T [s]<br />
Tabas<br />
A mortiguamiento<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,3<br />
Cirsoc 103,SII<br />
0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5<br />
T [s]
Los <strong>de</strong>splazamientos máximos admisibles <strong>de</strong> proyecto en los aisladores <strong>de</strong>l sistema BCS son <strong>de</strong><br />
100 mm <strong>de</strong> acuerdo con el tipo seleccionado, lo que garantiza un funcionamiento <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l rango<br />
normal previsto <strong>para</strong> los sismos máximos probables elegidos. Por otro lado, <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazamientos<br />
calculados en los aisladores NZ <strong>para</strong> algunos sismos resulta evi<strong>de</strong>nte que se hubiese planteado<br />
una situación similar, esto es la necesidad <strong>de</strong> trabajar sobre algunos parámetros <strong>de</strong>l proyecto<br />
original <strong>de</strong> manera <strong>de</strong> garantizar un correcto funcionamiento <strong>de</strong> los aisladores y la seguridad <strong>de</strong> la<br />
estructura soportada.<br />
Nro. Terremoto<br />
Aislador B.C.S.<br />
Desplaz. horizontal<br />
[mm]<br />
Aislador NZ<br />
Desplaz. horizontal<br />
[mm]<br />
1 Cape Mendocino 78 276<br />
2 Coalinga 39 57<br />
3 Loma Prieta – Corralitos 62 123<br />
4 Imperial Valley, Array Nº 6 61 87<br />
5 Kobe 38 68<br />
6 Chi-Chi –Taiwan 59 114<br />
7 Northridge New Hall, La Country 70 128<br />
8 Cape Mendocino, Petrolia 95 333<br />
9 Northridge – Sylmar 89 357<br />
10 Tabas – Iran 70 389<br />
11 Imperial Valley, El Centro 56 420<br />
Tabla 3: Desplazamientos horizontales máximos <strong>de</strong> los aisladores BCS y NZ.<br />
En las Fig. 10 y Fig. 11 se muestran los <strong>de</strong>splazamientos verticales y horizontales en los aisladores<br />
BCS y NZ. Los <strong>de</strong>splazamientos verticales en los BCS no superan en general los ±30 mm mientras<br />
que en los NZ se mantienen por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> ±0,4 mm, <strong>de</strong>bido a la alta rigi<strong>de</strong>z vertical provista en este<br />
último caso.<br />
Los gráficos aceleración vs. <strong>de</strong>splazamiento, con ambas variables medidas en la dirección<br />
horizontal en un nudo sobre la esquina <strong>de</strong>l edificio y en su plano superior, son usados aquí <strong>para</strong><br />
mostrar un panorama general <strong>de</strong> las prestaciones <strong>de</strong> los diferentes sistemas analizados. En las Fig.<br />
12 y Fig. 13 se observan los citados gráficos dispuestos en tres columnas a efectos com<strong>para</strong>tivos: a<br />
la izquierda las correspondientes al edificio sin aislamiento, al centro las obtenidas en el mo<strong>de</strong>lo con<br />
aisladores BCS y a la <strong>de</strong>recha con aisladores NZ. Es posible observar el límite en las aceleraciones<br />
máximas provistas por ambos sistemas <strong>de</strong> aislamiento y una buena reducción <strong>de</strong> las aceleraciones<br />
en las señales con elevada magnitud, <strong>de</strong>stacándose los aisladores NZ por proveer aceleraciones<br />
menores y consecuentemente <strong>de</strong>splazamientos mayores que el sistema BCS.<br />
La Fig. 14 muestra las aceleraciones verticales vs. los <strong>de</strong>splazamientos verticales <strong>para</strong> los distintos<br />
casos y <strong>para</strong> el sismo i<strong>de</strong>ntificado como Petrolia.<br />
Con el fin <strong>de</strong> com<strong>para</strong>r las prestaciones en cuanto a la reducción <strong>de</strong> esfuerzos, a modo <strong>de</strong> ejemplo<br />
se muestran las solicitaciones máximas obtenidas durante los sismos <strong>para</strong> una columna situada en<br />
la planta baja y en la esquina <strong>de</strong>l edificio, o sea inmediatamente por encima <strong>de</strong> los aisladores y <strong>para</strong><br />
los tres casos calculados. La Tabla 4 contiene esfuerzos normales, la Tabla 5 esfuerzos <strong>de</strong> corte y<br />
la Tabla 6 momentos flectores máximos.<br />
9
Desp. vert. [m]<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
-0,02<br />
Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
Cape Mend<br />
-0,03<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Corralitos<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
-0,02<br />
-0,03<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Imperial<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
-0,02<br />
-0,03<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Kobe<br />
-0,02<br />
-0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
Coalinga<br />
-0,02<br />
-0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Taiwan<br />
-0,02<br />
-0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Taiwan<br />
Fig. 10: Demandas <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazamientos verticales y horizontales sobre los aisladores BCS y<br />
NZ.<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
Coalinga<br />
10<br />
-4,E-04<br />
-0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Corralitos<br />
-4,E-04<br />
-0,14 -0,10 -0,06 -0,02 0,02 0,06 0,10<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
Cape Mend<br />
-4,E-04<br />
-0,04 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Imperial<br />
-4,E-04<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Kobe<br />
-4,E-04<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
-4,E-04<br />
-0,12 -0,09 -0,06 -0,03 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12<br />
Desplazamiento horizontal [m]
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
New Hall<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
-0,02<br />
-0,03<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
-0,02<br />
Petrolia<br />
-0,04<br />
-0,1 -0,05 0 0,05 0,1<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
-0,02<br />
Sylmar<br />
-0,04<br />
-0,08 -0,04 0 0,04 0,08 0,12<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
-0,02<br />
Tabas<br />
-0,04<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Centro<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
-0,01<br />
-0,02<br />
-0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
Desp. vert. [m]<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
New Hall<br />
-4,E-04<br />
-0,11 -0,08 -0,05 -0,02 0,01 0,04 0,07 0,10 0,13<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Petrolia<br />
-4,E-04<br />
-0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Sylmar<br />
-4,E-04<br />
-0,40 -0,30 -0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Fig. 11: Demandas <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazamientos verticales y horizontales sobre los aisladores BCS y<br />
NZ. (cont.)<br />
Tabas<br />
-4,E-04<br />
-0,40 -0,30 -0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30<br />
4,E-04<br />
2,E-04<br />
0,E+00<br />
-2,E-04<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
Centro<br />
-4,E-04<br />
-0,40 -0,30 -0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40<br />
Desplazamiento horizontal [m]<br />
11
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-10<br />
Sin Aislador Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
Cape Mend<br />
-20<br />
-0,012 -0,008 -0,004 0<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,004 0,008<br />
Coalinga<br />
20<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
-4<br />
-8<br />
-12<br />
-0,006 -0,004 -0,002 0,000 0,002 0,004<br />
Desplazamiento [m]<br />
Corralitos<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
-0,003 -0,002 -0,001 0,000 0,001 0,002 0,003<br />
Desplazamiento [m]<br />
Imperial<br />
-12<br />
-0,006 -0,004 -0,002 0,000 0,002 0,004 0,006<br />
Desplazamiento [m]<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
-4<br />
-8<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
-4<br />
-8<br />
Kobe<br />
+<br />
-12<br />
-0,006 -0,004 -0,002 0,000 0,002 0,004 0,006<br />
Desplazamiento [m]<br />
Taiwan<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
+<br />
-0,002 -0,001 0,000 0,001 0,002<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Cape mend<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Coalinga<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
-3<br />
-4<br />
-5<br />
-0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06<br />
Desplazamiento [m]<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
Corralitos<br />
-6<br />
-0,1 -0,05 0 0,05 0,1<br />
Desplazamiento [m]<br />
-2<br />
-4<br />
Aceleración [m/s²]<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
Imperial<br />
-6<br />
-0,1 -0,05 0 0,05 0,1<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Kobe<br />
-4<br />
-0,06 -0,04 -0,02 0 0,02<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,04 0,06<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
Taiwan<br />
-6<br />
-0,1 -0,05 0<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,05 0,1<br />
Cape Mend<br />
Fig. 12: Curvas aceleración horiz. vs. <strong>de</strong>splazamiento horiz. <strong>de</strong>l nodo superior en esquina <strong>de</strong>l<br />
edificio<br />
Aceleración [m/s²]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
12<br />
-3<br />
-0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Coalinga<br />
-3<br />
-0,05 -0,03 -0,01 0,01 0,03 0,05 0,07<br />
Desplazamiento [m]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Corralitos<br />
-3<br />
-0,14 -0,1 -0,06 -0,02 0,02 0,06 0,1 0,14<br />
Desplazamiento [m]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Imperial<br />
-3<br />
-0,1 -0,06 -0,02 0,02<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,06 0,1<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Kobe<br />
-3<br />
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,02 0,04<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Taiwan<br />
-3<br />
-0,12 -0,08 -0,04 0 0,04 0,08 0,12<br />
Desplazamiento [m]
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
-4<br />
-8<br />
Sin Aislador Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
New Hall<br />
-12<br />
-0,006 -0,004 -0,002 0,000<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,002 0,004<br />
Petrolia<br />
-12<br />
-0,004 -0,002 0,000 0,002 0,004<br />
Desplazamiento [m]<br />
-12<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
-4<br />
-8<br />
Sylmar<br />
-16<br />
-0,006 -0,004 -0,002 0,000 0,002 0,004 0,006<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
-4<br />
-8<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
-15<br />
-20<br />
-0,00<br />
8<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-0,00<br />
6<br />
Tabas<br />
-0,00 -0,00 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008<br />
4 Desplazamiento 2 [m]<br />
Centro<br />
-10<br />
-0,003 -0,002 -0,001 0,000 0,001 0,002 0,003<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
New Hall<br />
-4<br />
-0,1 -0,05 0<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,05 0,1<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
Petrolia<br />
-10<br />
-0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15<br />
Desplazamiento [m]<br />
Sylmar<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
-0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15<br />
Desplazamiento [m]<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
Tabas<br />
-6<br />
-0,1 -0,05 0<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,05 0,1<br />
Centro<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
-3<br />
-4<br />
-5<br />
-6<br />
-0,05 0 0,05<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,1<br />
New Hall<br />
Fig. 13: Curvas aceleración horiz. vs. <strong>de</strong>splazamiento horiz. <strong>de</strong>l nodo superior en esquina <strong>de</strong>l<br />
edificio (cont.)<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
13<br />
-3<br />
-0,12 -0,08 -0,04 0 0,04 0,08<br />
Desplazamiento [m]<br />
0,12 0,16<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Petrolia<br />
-3<br />
-0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4<br />
Desplazamiento [m]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Sylmar<br />
-3<br />
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4<br />
Desplazamiento [m]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
Tabas<br />
-2<br />
-3<br />
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4<br />
Desplazamiento [m]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
Centro<br />
-3<br />
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
Desplazamiento [m]
Aceleración [m/s²]<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
sin aislamiento<br />
-10<br />
-0,002 -0,001 0,000 0,001 0,002<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
Fig. 14: Aceleraciones verticales vs. <strong>de</strong>splazamientos verticales <strong>de</strong>l nodo superior <strong>de</strong>l edificio.<br />
Esfuerzo Normal<br />
Terremoto sin aislac. con B.C.S. con NZ<br />
kN kN % kN %<br />
capemend 2425 476 20 394 16<br />
coalinga 945 276 29 408 43<br />
corralitos 727 395 54 375 52<br />
imperial 1477 428 29 401 27<br />
kobe 1538 257 17 349 23<br />
taiwan 573 365 64 414 72<br />
newhall 1129 438 39 398 35<br />
petrolia 871 618 71 414 48<br />
sylmar 994 501 50 393 40<br />
tabas 2406 487 20 433 18<br />
centro 523 352 67 428 82<br />
Tabla 4: Esfuerzos normales máximos sobre una columna en PB en la esquina <strong>de</strong>l edificio.<br />
Esfuerzo Cortante<br />
con B.C.S. con NZ<br />
kN kN % kN %<br />
capemend 291 63 22 61 21<br />
coalinga 128 37 29 62 48<br />
corralitos 80 54 67 57 71<br />
imperial 178 60 34 62 35<br />
kobe 197 35 18 55 28<br />
taiwan 73 50 68 64 87<br />
newhall 133 60 45 62 47<br />
petrolia 110 84 77 67 61<br />
sylmar 132 68 52 57 43<br />
tabas 300 71 24 71 24<br />
centro 57 49 86 82 144<br />
Terremoto sin aislac.<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
Tabla 5: Esfuerzos cortantes máximos sobre una columna en PB en la esquina <strong>de</strong>l edificio.<br />
BCS<br />
-10<br />
-0,040 -0,020 0,000 0,020 0,040<br />
Desplazamiento [m]<br />
Aceleración [m/s²]<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
NZ<br />
14<br />
-10<br />
-0,002 -0,001 -0,001 0,000 0,001 0,001<br />
Desplazamiento [m]
Momento Flector<br />
con B.C.S. con NZ<br />
kN-m kN-m % kN-m %<br />
capemend 92 21 23 22 24<br />
coalinga 43 13 30 23 53<br />
corralitos 24 18 72 21 85<br />
imperial 44 20 44 22 51<br />
kobe 48 12 25 20 41<br />
taiwan 18 16 91 23 131<br />
newhall 36 20 54 22 62<br />
petrolia 35 27 78 24 68<br />
sylmar 43 22 51 21 49<br />
tabas 63 25 39 25 40<br />
centro 18 16 91 27 155<br />
Terremoto sin aislac.<br />
Tabla 6: Momentos flectores máximos en una columna en PB en la esquina <strong>de</strong>l edificio.<br />
De las tablas se obtiene, por ejemplo, que los esfuerzos normales <strong>de</strong> la columna consi<strong>de</strong>rada se<br />
reducen respecto <strong>de</strong>l caso sin aislamiento a valores comprendidos entre el 20 al 67% <strong>para</strong><br />
aisladores BCS y <strong>de</strong> 16 a 82% <strong>para</strong> los NZ. Los esfuerzos <strong>de</strong> corte y momento flector son también<br />
reducidos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> valores máximos <strong>de</strong> 300 kN a máximos <strong>de</strong> aprox. 80 kN <strong>para</strong> todos los sismos<br />
consi<strong>de</strong>rados cuando se utilizan sistemas <strong>de</strong> aislamiento, mientras que una situación similar <strong>de</strong><br />
limitación <strong>de</strong> los valores máximos se observa respecto <strong>de</strong>l momento flector. Resulta también notoria<br />
la amplia variación <strong>de</strong> los porcentajes <strong>de</strong> reducción <strong>de</strong> esfuerzos en función <strong>de</strong> las señales <strong>sísmica</strong>s<br />
elegidas <strong>para</strong> el análisis.<br />
Para dar más generalidad a la situación global <strong>de</strong> los esfuerzos sobre la estructura, se muestran en<br />
las Fig. 15, Fig. 16, Fig. 17 y Fig. 18 los diagramas <strong>de</strong> esfuerzos Normales (columna izquierda), <strong>de</strong><br />
Corte (columna central) y Momento Flector (columna <strong>de</strong>recha), <strong>para</strong> los eventos sísmicos: Nro.1<br />
Cape Mendocino-C.M., Nro.8 Cape Mendocino-Petrolia; Nro.9 Northridge-Sylmar y Nro.11 Imperial<br />
Valley-Centro respectivamente. Para facilitar la visualización se han mantenido constantes las<br />
escalas en todos los casos <strong>para</strong> los diagramas correspondientes al edificio con aisladores BCS y<br />
NZ a saber: 50 kN/mm <strong>para</strong> el esfuerzo Normal, 200 kN/mm <strong>para</strong> el Corte y 25 kN m /mm <strong>para</strong> el<br />
Momento Flector. Las escalas en el caso <strong>de</strong> los diagramas <strong>para</strong> el edificio sin aislamiento se redujo<br />
en un factor 5 <strong>para</strong> Cape Mendocino, en un factor 1,5 <strong>para</strong> Petrolia y Centro y en un valor 2 <strong>para</strong><br />
Sylmar.<br />
Más allá <strong>de</strong> las interpretaciones particulares <strong>de</strong> las solicitaciones <strong>para</strong> cada señal <strong>sísmica</strong> en<br />
función <strong>de</strong> sus espectros <strong>de</strong> pseudoaceleraciones que se pue<strong>de</strong>n realizar, interesa aquí <strong>de</strong>stacar<br />
que, <strong>de</strong> los diagramas <strong>de</strong> esfuerzos y <strong>de</strong> los factores <strong>de</strong> escala elegidos, resulta evi<strong>de</strong>nte que las<br />
solicitaciones en la columna presentadas anteriormente son en general representativas <strong>de</strong>l estado<br />
tensional general <strong>de</strong>l edificio <strong>para</strong> cada caso.<br />
15
Edificio sin aislamiento Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
Esc. 250 kN/mm Esc. 50 kN/mm Esc. 50 kN/mm<br />
Esc. 1000 kN/mm Esc. 200 kN/mm Esc. 200 kN/mm<br />
Esc. 125 kN m/mm Esc. 25 kN m/mm Esc. 25 kNm/mm<br />
Fig. 15: Diagrama general <strong>de</strong> esfuerzos Normales, Corte y Momento Flector <strong>para</strong> Cape<br />
Mendocino-Cape Mendocino<br />
16
Edificio sin aislamiento Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
Esc. 75 kN/mm Esc. 50 kN/mm Esc. 50 kN/mm<br />
Esc. 300 kN/mm Esc. 200 kN/mm Esc. 200 kN/mm<br />
Esc. 37,50 kN m/mm Esc. 25 kN m/mm Esc. 25 kN m/mm<br />
Fig. 16: Diagrama general <strong>de</strong> esfuerzos Normales, Corte y Momento Flector <strong>para</strong> Cape<br />
Mendocino-Petrolia.<br />
17
Edificio sin aislamiento Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
Esc. 100 kN/mm Esc. 50 kN/mm Esc. 50 kN/mm<br />
Esc. 400 kN/mm Esc. 200 kN/mm Esc. 200 kN/mm<br />
Esc. 50 kN m/mm Esc. 25 kN m/mm Esc. 25 kN m/mm<br />
Fig. 17: Diagrama general <strong>de</strong> esfuerzos Normales, Corte y Momento Flector <strong>para</strong> Northridge-<br />
Sylmar.<br />
18
Edificio sin aislamiento Aisladores BCS Aisladores NZ<br />
Esc. 75 kN/mm Esc. 50 kN/mm Esc. 50 kN/mm<br />
Esc. 300 kN/mm Esc. 200 kN/mm Esc. 200 kN/mm<br />
Esc. 37,50 kN m/mm Esc. 25 kN m/mm Esc. 25 kN m/mm<br />
Fig. 18: Diagrama general <strong>de</strong> esfuerzos Normales, Corte y Momento Flector <strong>para</strong> Imperial<br />
Valley- Centro.<br />
19
Finalmente se muestran en Tabla 7 las reacciones basales máximas <strong>de</strong>l edificio <strong>para</strong> los sismos y<br />
los tres casos consi<strong>de</strong>rados. Como consecuencia <strong>de</strong> sus distintas rigi<strong>de</strong>ces vertical y horizontal, el<br />
<strong>de</strong>sempeño <strong>de</strong>l aislador NZ es superior al BCS en lo que respecta al corte basal, mientras que la<br />
reacción vertical es siempre menor en el aislador BCS.<br />
Reacciones Basales Máximas<br />
Horizontal Vertical<br />
Sismo<br />
sin aislam. Aisl. BCS Aisl. NZ sin aislam. Aisl. BCS Aisl. NZ<br />
kN kN kN kN kN kN<br />
capemend 4.551 1.196 448 2.237 1.712 2.724<br />
coalinga 2.278 576 247 2.237 1.710 2.729<br />
corralitos 1.577 916 306 2.239 1.713 2.711<br />
imperial 3.707 912 272 2.246 1.709 2.723<br />
kobe 4.002 557 254 2.231 1.711 2.713<br />
newhall2 2.345 1.045 308 2.236 1.703 2.717<br />
sylmar 2.025 1.355 520 2.239 1.718 2.740<br />
tabas 5.572 1.030 551 2.244 1.720 2.713<br />
petrolia 1.795 1.426 501 1.975 1.676 2.709<br />
taiwan 1.188 888 296 1.973 1.687 2.722<br />
centro 1.083 848 572 1.972 1.681 2.779<br />
Tabla 7: Reacciones Basales máximas durante los sismos <strong>de</strong>l Edificio consi<strong>de</strong>rado<br />
6. CONCLUSIONES<br />
Del análisis efectuado queda <strong>de</strong>mostrado la conveniencia técnica <strong>de</strong> la incorporación <strong>de</strong> aisladores<br />
<strong>de</strong> base, tanto en la reducción <strong>de</strong> aceleraciones como <strong>de</strong> esfuerzos sobre los miembros<br />
estructurales.<br />
El sistema <strong>de</strong> aislamiento <strong>de</strong> base consistente en resortes helicoidales y amortiguadores viscosos<br />
ha sido introducido en <strong>edificios</strong> <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la experiencia ganada en su utilización <strong>para</strong> el<br />
aislamiento <strong>de</strong> maquinarias y equipos pesados. El comportamiento dinámico <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo formado<br />
<strong>de</strong>be ser entendido y calculado en forma tridimensional, ya que la flexibilidad y el amortiguamiento<br />
vertical son componentes distintivos <strong>de</strong>l sistema, en com<strong>para</strong>ción con los sistemas flexibles sólo en<br />
la dirección horizontal.<br />
Los resultados mostrados en el presente trabajo muestran que el aislamiento BCS constituye una<br />
alternativa técnica que por sus características conduce en general en aceleraciones horizontales<br />
algo mayores y <strong>de</strong>splazamientos horizontales menores que los obtenibles con aisladores <strong>de</strong><br />
elastómero. Debido a los aisladores BCS los esfuerzos calculados se mantienen en valores<br />
reducidos <strong>para</strong> todos los sismos consi<strong>de</strong>rados, protegiendo así a la estructura.<br />
Se muestra a<strong>de</strong>más una amplia variación <strong>de</strong> resultados en función <strong>de</strong> los distintos eventos<br />
sísmicos, lo que es atribuible a las diferentes magnitu<strong>de</strong>s y componentes en frecuencia <strong>de</strong> los once<br />
sismos <strong>de</strong>signados como probables. Al respecto, y al momento <strong>de</strong>l diseño <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong><br />
aislamiento, resulta clara la necesidad <strong>de</strong> contar con información lo más precisa posible sobre el<br />
input sísmico, <strong>de</strong> manera <strong>de</strong> ajustar las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l filtro lo más a<strong>de</strong>cuadamente posible.<br />
20
7. REFERENCIAS<br />
1 Design of Seismic Isolated Structures – From Theory to Practice, Naeim, F. and Kelly, J.M., John<br />
Wiley & Sons, Inc., New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, (1999).<br />
2 Diseño Simoresistente <strong>de</strong> Edificios. Técnicas Convencionales y Avanzadas. Luis M. Bozzo, Alex<br />
H. Barbat. Editorial Reverté, S.A. 2000.<br />
3 Seismic Protection of Structures by Viscoelastic Elements. The Eighth East Asia-Pacific<br />
Conference on Structural Engineering and Construction. 5-7 December 2001, Nanyang<br />
Technological University, Singapore. Paper No.:1059.<br />
4 Prediction of Observed Responses of Base-Isolated Structures, N. Makros et al., Journal of<br />
Structural Engineering, Mayo 1996.<br />
5 Method for Random Vibration of Histeretic Systems, Wen Y. K., Journal of the Engineering<br />
Mechanics Division, ASCE, 102, 249-263, 1976.<br />
6 Microzonificación <strong>sísmica</strong> <strong>de</strong>l Gran Mendoza, República Argentina. Instituto Nacional <strong>de</strong><br />
Prevención Sísmica, Secretaría <strong>de</strong> Obras Públicas, Ministerio <strong>de</strong> Obras y Servicios Públicos, Po<strong>de</strong>r<br />
Ejecutivo Nacional, 1989.<br />
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