5.CAPITULO 1

CAPITULO I:

GENERALIDADES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

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1.1.- INTRODUCCION

Esta investigacin surge del inters por conocer y mostrar una de las nuevas tecnologas

que se est aplicando en la ingeniera estructural sismorresistente, que es la tcnica de la

Aislacin Ssmica en la Base de los Edificios, la cual se viene usando en diversos pases

como Japn, Nueva Zelanda y Estados Unidos, incluso de la regin sudamericana como

Chile. Dicha tecnologa es aplicable a nuestra realidad regional y nacional como una

manera de proteger ssmicamente a nuestras edificaciones, ms aun cuando se viene

desarrollando un crecimiento acelerado de la industria de la construccin en nuestro pas y

son los edificios parte de la infraestructura en crecimiento.

La investigacin se divide en dos grandes etapas; en la primera, se detallan los conceptos y

fundamentos terico-matemticos del aislamiento ssmico; en la segunda etapa se muestran

las caractersticas de la modelacin estructural as como el anlisis y diseo de una

edificacin aislada, para lo cual se us como base la norma americana UBC 1997 y ASCE

7 05, tambin se consideraron algunos artculos de la Propuesta de Norma Peruana para

el Anlisis y Diseo de Edificios con Aislamiento Ssmico en su Base(1)

, estableciendo y

planteando una metodologa para posteriores diseos que se quieran efectuar.

A manera de aplicacin se model estructuralmente una edificacin orientada al diseo con

aisladores ssmicos considerando factores de influencia locales tales como el tipo de suelo,

sismicidad de la zona, nmero de pisos, entre otros, en donde se aplic la metodologa

propuesta para el diseo. Se utiliz un software de anlisis estructural conocido para la

modelacin matemtica (SAP2000) y mediante ello se pudo estudiar el comportamiento

estructural adems de esquematizar un procedimiento para modelar el sistema de

aislacin en la base, complementndose con las propuestas de modelacin que se han

hecho en anteriores investigaciones.

Tambin se anexa una propuesta de syllabus del curso denominado Aislacin Ssmica

para una posible incorporacin en el plan de estudios de pregrado de la Facultad de

Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Piura con el objetivo de brindar a los

alumnos la informacin terica-prctica de estos temas que en el futuro sern de aplicacin

en nuestra realidad, brindando un aporte acadmico a la facultad.

Con todo ello se demostr que en edificaciones aisladas ssmicamente los objetivos de

desempeo planteados exceden considerablemente a aquellos de estructuras

convencionales en sismos moderados y severos.

(1) SANDOVAL BALLARTE, Jaime. 2011 Propuesta de Norma Peruana para Estructuras Aisladas Ssmicamente. Lima, 10 pg.


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1.2. JUSTIFICACIN

Es de conocimiento general que nuestro pas se ubica en una zona altamente ssmica,

debido principalmente a que en la costa peruana convergen dos placas tectnicas que son la

Placa de Nazca (llamada tambin Placa Ocenica) y la Placa Continental, las cuales

ocasionan una falla de subduccin (fenmeno por el cual la placa ocenica se introduce

bajo la placa continental), en donde se almacena y posteriormente libera energa del

interior de la tierra a manera de ondas dando como resultado los movimientos ssmicos. Lo

citado anteriormente se ve reflejado en el siguiente mapa de zonificacin ssmica

preliminar para el Per, el cual fue elaborado por el Centro Nacional de Datos Geofsicos

del Instituto Geofsico del Per en el ao 2002, y cuyo estudio us una base de datos de 33

aos debidamente clasificados; en dicho mapa se aprecia que las zonas costeras son las que

presentan sismicidad media-alta y en dicho estudio se confirma que la causa de estos

sismos estn asociados al proceso de subduccin en su mayora.

Fig. 1.2.1.- Mapa de Zonificacin Preliminar para el Per a partir de la

frecuencia-intensidad de los sismos ocurridos entre 1964 - 2000


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Este fenmeno de subduccin, es inevitable y recurrente, siempre se van a presentar

movimientos ssmicos de regular a gran intensidad en nuestro pas, y ms an aquellas

zonas en donde la no ocurrencia de sismos viene dada por aos, como el caso de la zona

norte, ya que se tiene ms probabilidad de que ocurran sismos de gran intensidad basados

en el principio de que se ha estado almacenando gran cantidad de energa por largos

periodos (silencio ssmico).

Fig. 1.2.2.- Mapa de los grandes terremotos ocurridos en el Per desde el ao 1600 hasta la actualidad, se

aprecia la ausencia de actividad ssmica en la zona norte del Per.

Por otro lado el incremento acelerado de las edificaciones en nuestro pas que viene siendo

motivado por el llamado boom de la construccin (crecimiento de 3% en 2011, 17% en

2012 y se prev un 15% en 2013) y las polticas de mejora y ampliacin de la

infraestructura pblica y privada, han conllevado a que cada vez existan ms edificios

(multifamiliares, comerciales, oficinas, hospitales, centros de estudio, etc.) los cuales

albergan un gran nmero de personas y tambin bienes y propiedades de un alto valor

adquisitivo que supera muchas veces los costos de la edificacin, por lo que estas

edificaciones no deberan verse afectadas y deberan continuar operativas despus de la

ocurrencia de un sismo incluso de gran intensidad.


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Fig. 1.2.3.- Crecimiento del sector construccin desde el ao 2001 hasta el ao 2012, fuente: INEI.

En ese mismo contexto, el desarrollo de la tecnologa permite conocer y aplicar nuevas

tcnicas y procedimientos que mejoran el desempeo de nuestras obras en general, la

ingeniera estructural no es la excepcin, y una de las novedades de las ltimas dcadas son

las Tcnicas Modernas de Proteccin Ssmica, dentro de las cuales se encuentra la

Aislacin Ssmica en la Base de los Edificios, tema que se investig y se desarrolla en esta

tesis. El concepto de aislacin ssmica ha comenzado a ser considerado seriamente durante

los ltimos aos como una alternativa en el diseo sismorresistente de estructuras,

especialmente en aquellos casos en que se busca un mejor desempeo ssmico para las

estructuras y sus contenidos. El excelente desempeo que las estructuras aisladas han

tenido durante los sismos de Northridge (Los Angeles, 1994), Kobe (Kobe, 1995), Chile

(2010) y Japn (2011) avalan las bondades de esta alternativa en cuanto a aumentar

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

despus de un sismo, en otras palabras proteccin a la vida y reduccin del dao.

7.70%

4.50% 4.70%

8.40%

14.80%

16.60% 16.50%

6.10%

17.40%

3.40%

17.00%

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

12.00%

14.00%

16.00%

18.00%

20.00%

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012


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1.3. OBJETIVOS

1.3.1.- OBJETIVO GENERAL

El objetivo general de esta investigacin es desarrollar a nivel terico el DISEO,

USO Y APLICACION DE AISLADORES SISMICOS ELASTOMERICOS EN

EDIFICIOS DE MEDIANA ALTURA y con ello demostrar que es factible su

empleo en nuestro mbito regional y nacional.

1.3.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Determinar los conceptos y fundamentos tericos relacionados con el

aislamiento ssmico en la base y los aisladores con material elastomrico.

- Mostrar y analizar los requisitos mnimos establecidos en la norma americana

UBC 1997 y ASCE 7-05 y la propuesta de norma peruana para el anlisis de

edificios aislados ssmicamente.

- Establecer un procedimiento para la modelacin matemtica (*) en el software

de anlisis estructural SAP2000.

- Disear un edificio con aisladores ssmicos elastomricos considerando

condiciones locales de diseo.

- Proponer un syllabus de curso denominado Aislacin Ssmica para que sirva

de base a una eventual incorporacin en el plan de estudios de la Facultad de

Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Piura.

(*) En este caso nuestra simulacin se efectu mediante MODELO MATEMATICO,

considerando parmetros locales de efectos ssmicos, como son el tipo de suelo, la

sismicidad de la zona, y el tipo de edificacin demostrando su efectividad en el

desempeo. Cabe mencionar que en cada proveedor de estos aisladores efecta ensayos de

los mismos en sus laboratorios, previo al envo a obra (como es el caso del edificio aislado

de Graa y Montero en donde en el Per se hizo una modelacin matemtica mediante

SAP2000 y el proveedor efectu pruebas en su laboratorio demostrando la efectividad de

los mismos), esto es parte del valor agregado de los proveedores del producto.

1.4. METODOLOGIA DE LA TESIS

Para el desarrollo de este proyecto se hizo una recopilacin de informacin acerca del

tema, posteriormente se efectu un trabajo de gabinete para ordenar y seleccionar dicha

informacin, adems del uso de software para cumplir con los objetivos planteados.

Finalmente cuando se obtengan los resultados y conclusiones de los objetivos planteados

se realizar una exposicin narrativa, numrica y/o grfica lo ms detallada posible de la

investigacin

.


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1.5. CONCEPTOS PREVIOS

1.5.1. ANALISIS DEL PROBLEMA

Cmo aumentar considerablemente el nivel de seguridad para las personas y la

operatividad de las estructuras despus de un sismo y como hacer extensiva esta

metodologa para la ingeniera estructural en el Per?

Una alternativa de solucin es mediante la aplicacin de la tcnica moderna de proteccin

ssmica consistente en el uso de Aisladores Ssmicos en la Base de las Estructuras.

En una edificacin aislada ssmicamente los objetivos de desempeo planteados exceden

considerablemente a aquellos de estructuras convencionales en sismos moderados y

severos. Es importante recalcar que incluso a travs del reforzamiento considerable de las

estructuras convencionales no es posible alcanzar los objetivos de desempeo de una

estructura aislada, debido a que el aumento de resistencia de la estructura convencional

conlleva a una rigidizacin estructural, lo que induce a que se desarrollen niveles de

aceleracin que impiden controlar el dao en contenidos e instalaciones, y por ende,

mantener la funcionalidad. Tal fue el caso del Hospital Sylmar, durante el sismo de

Northridge en el ao 1994, en que la estructura no experiment dao, pero el contenido

sufri tal deterioro que el hospital estuvo fuera de servicio por tres meses.

En nuestro pas esta tcnica an est en sus inicios y la razn principal es un retraso en el

desarrollo tecnolgico. Edificios con aislamiento ssmico son comunes en pases

desarrollados y experimentaron un comportamiento muy exitoso durante los devastadores

terremotos de Kobe y Northridge. En Chile se han construido ya edificios aislados que han

respondido eficientemente sin presentar dao alguno ante los ltimos sismos como el del

2010, entre ellos destacan: La clnica de la Universidad Catlica, el Hospital Militar La

Reina, el Edificio de Consultas de la Asociacin Chilena de Seguridad, viviendas sociales,

entre otros.

1.5.2.- SISTEMAS MODERNOS DE PROTECCIN SSMICA

Los aisladores ssmicos pertenecen a un conjunto de sistemas o formas de proteger a los

edificios, los sistemas de proteccin ssmica empleados en la actualidad comprenden desde

relativamente simples dispositivos de control pasivo hasta avanzados sistemas

completamente activos. Los sistemas pasivos son tal vez los ms conocidos e incluyen los

sistemas de aislamiento ssmico y los sistemas mecnicos de disipacin de energa. El

aislamiento ssmico es el sistema ms desarrollado de la familia, con continuos avances en

dispositivos, aplicaciones y especificaciones de diseo. Los sistemas de proteccin ssmica

pueden ser clasificados en cuatro categoras: sistemas pasivos, activos, hbridos y

semiactivos, en la Fig. 1.0 se muestra esta clasificacin y subdivisin de los mtodos

empleados.


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Fig. 1.0.- Clasificacin de los Sistemas Modernos de Proteccin Ssmica.

Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a

que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el

libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura. Esto permiti la

sustitucin de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer intento moderno por

utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la Escuela Heinrich Pestalozzi,

en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un mtodo suizo denominado Aislamiento Total

de la Base en Tres Direcciones utilizando vigas de caucho natural sin reforzar. A partir de

este edificio empez la experimentacin, implementacin y patentado de sistemas en los

Estados Unidos, Japn y Nueva Zelanda principalmente.

1.5.3.- AISLACIN SSMICA

La aislacin ssmica es una forma de diseo ssmico, que reduce el nivel de aceleraciones

que una estructura experimenta durante un sismo, mediante el aumento del perodo propio

de la estructura llevndolo lejos de los perodos predominantes del movimiento del suelo,

con la consiguiente disminucin de los esfuerzos internos.

El objetivo de la aislacin es proveer en la base de la estructura un sistema que disminuya

o que restrinja en lo posible los desplazamientos en la sper estructura, quien a su vez

evitara las deformaciones plsticas las cuales seran absorbidas por los aisladores que de

cumplir con su objetivo son dispositivos que fcilmente podran se reemplazables. Estos

tienen el efecto de desacoplar parcialmente la estructura del movimiento ssmico y son

capaces de absorber ellos mismos una parte de la energa debida a los terremotos y de

reducir, de esta manera el desplazamiento relativo entre los distintos elementos

estructurales. Una comparacin entre el comportamiento bajo cargas ssmicas de un

edificio convencional y de uno con sistema de aislacin basal puede verse en la Fig. 2.0.


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Fig. 2.0.- Comportamiento dinmico de un edificio convencional (izquierda) y de uno con

aislacin basal (derecha).

Una vez conocidos los conceptos anteriores es preciso mostrar los principales tipos de

aisladores con que se cuentan en la actualidad, los cuales se clasifican en funcin del

material con el que se fabrican, dicha clasificacin se muestra a continuacin

PRINCIPALES TIPOS DE AISLADORES

5.2.1.- Aisladores Elastomricos de Caucho Natural o Aisladores de caucho de bajo

Amortiguamiento (LDR por sus siglas en ingles)

Algunas caractersticas:

La relacin entre la deformacin lateral y el espesor de la lmina de caucho

alcanza niveles de hasta el 100%.

Hay una relacin lineal entre el cortante y la deformacin lateral.

El amortiguamiento es alrededor del 2% al 3%.

Ventajas:

Simples de manufacturar.

Fciles de modelar.

No son muy afectados por el tiempo, el ambiente, temperatura u otras

condiciones ambientales.

Desventaja:

A menudo necesitan sistema de amortiguadores adicionales.

5.2.2.- Aisladores de caucho con ncleo de plomo


La relacin entre la deformacin lateral y el espesor de la lmina de caucho

alcanza niveles de hasta el 200%.

Hay una relacin lineal entre el cortante y la deformacin lateral.


Ventajas:

Mayor amortiguamiento.

Suprime la necesidad de amortiguadores.

5.2.3.- Aisladores Elastomricos de caucho de alto amortiguamiento


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La relacin entre la deformacin lateral y el espesor de la lmina de

caucho alcanza niveles de hasta el 300%.

Hay una relacin entre el cortante y la deformacin la cual es lineal.


Presentan propiedades especiales ante grandes deformaciones

Ventajas:

Amortiguamiento suficiente para no necesitar amortiguadores adicionales.

Desventaja:

Sufren deterioro con el paso del tiempo y algunos son sensibles a dao por

el medio ambiente.

1.5.4.- DISEO ESTRUCTURAL

Es necesario aclarar que la aislacin ssmica no soluciona los problemas derivados de las

malas concepciones de diseo o de la falta de criterio al momento de ubicar los elementos

de la superestructura. Tampoco se puede afirmar que teniendo un buen sistema de aislacin

ssmica, se podra descuidar o no dar mucha importancia a los otros aspectos del diseo de

las edificaciones. Es por eso que las etapas del diseo estructural junto con los criterios

aplicables y recomendados se deben cumplir, con lo que se asegura el xito del desempeo

de las estructuras aisladas. Dichas etapas se resumen a continuacin:

Estructuracin.-. En base a la experiencia y a ciertos criterios como son Simplicidad y

simetra, Resistencia y ductilidad, Hiperestaticidad y monolitismo, Rigidez lateral,

Uniformidad y continuidad; se ubican los aisladores as como los elementos

convencionales (columnas, vigas, etc) y en base a criterios de predimensionamiento

establecidos, se dimensionan dichos elementos.

Metrado de cargas.- Estimacin de las diferentes solicitaciones que actuarn sobre la

estructura durante su vida til, parte fundamental en este tipo de edificaciones ya que el

dimensionamiento de los aisladores se ve determinado principalmente por las cargas que se

aplican en los dispositivos.

Modelacin.- La modelacin debe reflejar lo ms cerca posible la condicin final del

proyecto incluidas las cargas y su forma de accin, la modelacin de los dispositivos de

aislacin tambin son parte fundamental en el proceso de diseo ya que dichos dispositivos

determinan el comportamiento real de la estructura frente a las solicitaciones.

Anlisis Estructural.- Se determinan mediante la teora de la mecnica estructural, las

fuerzas en los miembros, los esfuerzos relacionados a las fuerzas (esfuerzos normales de

traccin o compresin, de torsin, flexin o corte). Igualmente los desplazamientos y/o


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deformaciones de los elementos convencionales as como de los dispositivos de aislacin

basal permiten apreciar la eficiencia y desempeo de la tcnica de proteccin ssmica.

Diseo de estructuras.- Se refiere al dimensionamiento definitivo de los elementos. La

eleccin de los detalles de la estructura y detallado final de cada elemento y que puede

determinarse de modo que se satisfagan los criterios de resistencia, estabilidad y deflexin,

como est asentado en las normas y cdigos en vigencia, lo expresado anteriormente

tambin es vlido para el diseo de los dispositivos de aislacin ssmica

1.5.5.- EVOLUCION HISTORICA DE LA INGENIERIA CON AISLADORES

SISMICOS EN EL MUNDO Y LA REGION SUDAMERICANA

- Era moderna comienza en Nueva Zelanda en 1970 - Primera aplicacin en Japn es de 1982 (casa pequea) - Primera aplicacin en EEUU es de 1985 (San Bernardino) - Antes de 1995 existan 85 edificios aislados en Japn, 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)

- Durante Northridge (1994), cinco estructuras fueron sometidas a movimientos significativos.

- Primer edificio en Chile es en 1992 (Comunidad Andaluca) - 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 - Aproximadamente 40 edificios aislados en EEUU para 1998 - Promedio de altura de edificios aislados antes de 1995 era entre 4 y 5 pisos;

actualmente es en promedio mayor a 8 pisos

- Primer hospital aislado ssmicamente en Chile, ao 2000 - Nuevo Edificio de la Facultad de Ingeniera de la UC, ao 2001 - Hospital Militar 2002

- Curso optativo en los currculum de Ingeniera de varias universidades en Chile, desde 1995

- 2010: Primera estructura aislada (no edificacin) en el Per: Tanques de almacenamiento en la planta de gas de Melchorita.

5.CAPITULO 1

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