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NUEVO EDIFICIO PARA LA BIBLIOTECA DE LA FACULTAD DE INGENIERA CIVIL DE LA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

MSc. Ing. LUIS RICARDO PROAO TATAJE*

1. INTRODUCCIN

La Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Ingeniera, est gestionando el diseo

y construccin de un nuevo edificio llamado CENTRO DE INFORMACIN destinado a su uso para la

nueva Biblioteca y Sala de profesores con un sistema estructural sismo resistente innovador en el

Per llamado Aislamiento Ssmico en la Base. Este edificio tendr 600m2 de rea en planta; as

mismo, contar con 04 pisos en una primera etapa y 08 pisos al final de su construccin.

Este proyecto nace de la iniciativa del Decano de la facultad de Ingeniera Civil de la

Universidad Nacional de Ingeniera Dr. Ing. Javier Piqu del Pozo (gerente de Proyecto). El diseo

estructural del sistema de Aislamiento Ssmico y del edificio ha sido realizado por el MSc. Ing.

Ricardo Proao Tataje.

Aislamiento ssmico y disipacin de energa, son dos conceptos que en los ltimos aos han

tomado inters dada su probada efectividad frente a terremotos en pases como Japn, Estados

Unidos, Nueva Zelandia y Chile.

El aislamiento ssmico reduce notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el

periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con

base fija, a la vez que permiten reducir los esfuerzos ssmicos notablemente y pueden ser

adaptados a estructuras nuevas, as como tambin se pueden incorporar en puentes y edificios

existentes,

El nuevo edificio del Centro de Informacin de la FIC UNI va a ser construido de forma

experimental por profesores la facultad y ser monitoreado de forma continua a travs de sensores

digitales que almacenarn informacin relacionada con su comportamiento ssmico, informacin

que adems servir para la enseanza del diseo de este tipo de edificios en los cursos estructuras

de la Facultad.


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2. FILOSOFIA DE DISEO SISMO RESISTENTE

La filosofa del diseo sismo resistente convencional se basa en aumentar las capacidades de las

estructuras a travs de: 1) La ductilidad de los elementos estructurales y 2) La resistencia, con la

inclusin de elementos de corte como las placas de concreto armado. Es sabido que cuando sobre las

estructuras acta un sismo, se generan altas aceleraciones, altos esfuerzos y sustanciales distorsiones

o derivas de entrepiso, las mismas que pueden daar las estructuras con deficiencia de capacidad para

enfrentar sismos y llevarla incluso al colapso.

*Ing. CIVIL ESPECIALISTA EN ESTRUCTURAS Y CONSULTOR Jefe del Departamento de Ingeniera Ssmica del CISMID UNI. Email: [email protected]

Otra forma de enfrentar los sismos, la cual es materia del presente artculo, est basada en la

disminucin de la energa ssmica de entrada o demanda ssmica, y es as que a travs del

aislamiento en la base de los edificios y otras estructuras podemos lograr una disminucin esa

demanda por sismo (ver Fig. N1).

Fig. 1. Alternativas para el diseo sismo resistente de una edificacin

3. FILOSOFIA DEL AISLAMIENTO SSMICO

El aislamiento ssmico es una estrategia de

diseo basada en la premisa de que es posible

separar una estructura de los movimientos del

suelo mediante la introduccin de elementos

flexibles entre la estructura y su fundacin,

disipando de forma pasiva la energa ssmica. As

el aislador ssmico representa un filtro del

movimiento ssmico horizontal, que no deja

pasar la energa hacia la estructura que se

encuentra sobre l. Como el movimiento

horizontal debido a sismo es la causa principal

del dao en la estructura, el aislador ssmico la

protege reduciendo su vibracin lateral en

valores del orden de 6 a 8 veces.

Desde el punto de vista energtico, la accin

ssmica transmite energa a la estructura, que se

transforma en energa elstica de deformacin

(EElstica), y en energa disipada (EDisipada). El

principio de conservacin de la energa

establece que esta no se crea ni se destruye,

solo se transforma, por lo tanto debe

mantenerse el equilibrio entre la energa de

entrada y la suma de la energa elstica y la

energa disipada, como se plantea en la ecuacin

(1.1)

EEntrada = EElstica + EDisipada (1.1)

Del mismo modo, la energa elstica est

compuesta por la energa almacenada de

deformacin elstica (EPotencial) y por energa

de movimiento (ECintica).

EElstica = EPotencial + ECintica (1.2)

A partir de este momento nos centramos en las

posibilidades que tiene una estructura para

disipar energa. Una estructura tiene dos

posibilidades de disipar energa, la primera es

por medio de energa de amortiguamiento

(EAmortiguamieto) y la segunda es por medio de

energa histertica (EHistertica), la cual se basa

en la ductilidad de sus miembros, la formacin

de articulaciones plsticas en ellos y un

consecuente dao estructural, que en muchas

ocasiones es apreciable.

EDisipada = EAmortiguamiento + E Histertica (1.3)

La disipacin de energa dentro de una

estructura es posible por amortiguamiento

viscoso, por friccin, por amortiguamiento

histertico, por impacto y radiacin. Se recalca

que el principio fundamental del diseo sismo

resistente se base en que la capacidad de

disipacin de energa de las estructuras debe ser

mayor que la demanda de energa histertica.

En la actualidad, las nuevas tecnologas para

mejorar el comportamiento ssmico de las

estructuras dicen que la tendencia no debe ser

rigidizar la estructura, sino ms bien reducir la

energa de entrada (EEntrada), o incrementar su

capacidad de disipacin de energa

(E Disipada).

La disminucin de la energa ssmica de entrada

o demanda se puede lograr por medio del

aislamiento de base, mientras que el incremento

en la capacidad de disipacin de energa de las

estructuras se puede lograr por medio de

dispositivos disipadores de energa.

EEntrada = EPotencial + ECinetica + EAmortiguamiento +

EHistertica (1.4)


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De este modo la energa ssmica de entrada puede ser absorbida por la deformacin elstica

(EPotencial) y el amortiguamiento (EAmortiguamiento) de los aisladores elastomricos, reduciendo de

manera considerable los desplazamientos laterales del edificio por encima del sistema de aislamiento

(ver Fig. N2).

Fig. N2 Desplazamientos ssmicos debido a sismo para una estructura con un diseo convencional y otra con un sistema de aislamiento en la base.

4. TIPOS DE AISLADORES SSMICOS

Fig. 3. Tipos de aisladores de base para edificios


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4.1 Aisladores elastomricos:

Bsicamente un aislador elastomrico est

formado por un conjunto de lminas planas de

goma intercaladas con placas planas de acero

adheridas a la goma, mediante un proceso en el

cual se aplica al conjunto presin a temperatura

muy alta, la goma se vulcaniza y el elemento

adquiere su propiedad elstica.

La notable flexibilidad lateral en el elastmero

permite el desplazamiento lateral de los

extremos del aislador, mientras que las lminas

de refuerzo evitan el abultamiento del

elastmero y le proporcionan una gran rigidez

vertical, al punto de que el elemento resultante

es prcticamente incompresible. Tanto en la

parte superior como en la inferior se colocan dos

placas de acero y sus pernos de anclaje, las

mismas que van conectadas a la superestructura

(la superior) y a la fundacin (la inferior).

Existen tres tipos de apoyos elastomricos

ampliamente usados: apoyos de caucho natural

(NRB), apoyos de caucho con ncleo de plomo

(LRB), y apoyos de caucho de alta disipacin de

energa (HDR). Los aisladores elastomricos

pueden alcanzar importantes valores de

amortiguamiento, para lo cual ser necesario

modificar la composicin qumica de la goma,

con lo cual se pueden esperar valores de

amortiguamiento viscoso equivalente que

fluctuaran entre 12% y 18%. No obstante, si se

quiere lograr niveles de amortiguamiento

mayores (20% a 40%), se puede incorporar en el

aislador un ncleo de plomo (LRB), en donde, el

dispositivo resultante es idntico al aislador

elastomrico

convencional salvo que en el centro del aislador

se incorpora el ncleo de plomo que estar

confinado por las lminas de goma y acero. El

ncleo de plomo cumple dos funciones

principales. La primera es la de aumentar el

amortiguamiento del aislador, pues el plomo

puede fluir bajo deformacin lateral, y la

segunda, es la de proveer mayor rigidez lateral a

la estructura, tanto para cargas de servicio como

para cargas eventuales como por ejemplo las

provenientes de viento.

En conclusin al incorporar al aislador un ncleo

de plomo, se tiene un elemento que combina en

una unidad fsica un elemento flexible y un

disipador de energa. En ensayos realizados

sobre aisladores elastomricos se ha probado

experimentalmente que estos pueden alcanzar

deformaciones laterales muy altas de hasta 100

y 200% de su altura.

Algunas de las caractersticas de estos aisladores

son:

Capacidad de carga superior a 15000 KN.

Dimensiones desde 300mm hasta 1200 mm

de dimetro.

Alta proteccin contra envejecimiento,

caractersticas y propiedades constantes.

Poca necesidad de mantenimiento y facilidad

de instalacin

4.2 Aisladores de friccin:

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


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(es independiente de la masa de la estructura

soportada). Bsicamente estos dispositivos son

de acero inoxidable y constan de una superficie

cncava, un patn o deslizador esfrico

articulado y una platina de cubierta (ver Figura

1.10). 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.

El deslizador est recubierto por un

Politetrafluoroetileno, PTFE o tefln de alta

resistencia, que tiene un coeficiente de friccin

bajo y tiene por objeto evitar la ralladura de la

superficie esfrica de acero, este material

permite trabajar con presiones de diseo

cercanas a 500 Kg/cm2

Tpicamente un aislador FPS puede proveer un

periodo de vibracin dinmico equivalente

dentro de un rango de 2 a 5 segundos y una

capacidad de desplazamiento superior a 1 m.

Otra ventaja del FPS es que tiene una muy alta

capacidad de carga vertical, unos 130000 KN,

una capacidad muy superior a la de los

aisladores elastomricos, que como se cit

anteriormente alcanzan valores de 15000 KN.

El sistema FPS hace que la estructura aislada se

comporte como una estructura con base fija

cuando las cargas laterales en la estructura son

menores que la fuerza de friccin. Una vez que

las cargas laterales exceden esta fuerza de

friccin, como en el caso de excitaciones debidas

a acciones ssmicas, el sistema responder en su

periodo de aislamiento. El coeficiente de friccin

friccin, como en el caso de excitaciones debidas

a acciones ssmicas, el sistema responder en su

periodo de aislamiento. El coeficiente de friccin

dinmica puede variar en un rango de 4 a 20%

para permitir diferentes niveles de resistencia

lateral y de disipacin de energa.


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