UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS BÁSICAS

TECNOLOGÍA ANTISÍSMICA

Autores:

BEDÓN HUETE, Manuel Rolando

FT_island16@hotmail.com

NEYRA SOCA, Luis Alonso

lansdx19@gmail.com

ZARAGOZA BEDÓN, César Augusto

czaragozabedon@gmail.com

Lima, 26 de junio del 2014.

RESUMEN

Con el desarrollo de la ciencia y tecnología hoy en día es posible disminuir los efectos que generan los movimientos telúricos en las construcciones, tanto ingenieros como científicos han ido creando la famosa tecnología antisísmica basada en la conservación de la energía pues permite la absorción de la energía sísmica y su posterior liberación mediantes estos dispositivos lo cual hace posible que las estructuras no sufran daños severos durante el sismo.

Los países desarrollados han venido aplicando esta tecnología en sus diversas construcciones siendo la más difundida los aisladores y disipadores de energía sísmica así como el péndulo amortiguador de masa dando consigo resultados muy satisfactorios.

Las cuantiosas pérdidas humanas que se han dado producto de los terremotos han podido ser evitadas con estos dispositivos por eso he de allí su importancia.

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ÍNDICE GENERAL

1. Introducción……………………………………………………………………. 52. Desarrollo o cuerpo…………………………………………………………… 7

2.1. Aisladores y separadores sísmicos…………………………………. 72.1.1. Disipadores de energía sísmica…………………………. 8

a. ¿Cómo se logra la disipación de energía sísmica?.... 9b. Espectro general del diseño: Efecto de disipación de

energía………………………………........................... 10c. Tipos de disipadores…………………………………… 11

Disipadores metálicos……………………….... 11 Disipadores friccionales………………………. 13 Disipadores viscosos………………………….. 14

2.1.2. Aislación sísmica………………………………………….. 20a. Características………………………………………… 21b. Edificios aislados……………………………………… 22c. Tipos de aisladores…………………………………….. 24d. Ficha técnica general del espectro ........................ 26e. El primer edificio del Perú con aislador sísmico se

construirá en la UNI…………………………………… 26

2.2. Péndulo Antisísmico o amortiguador de masa …………………… 283. Conclusiones…………………………………………………………………….. 314. Recomendaciones………………………………………………………………. 31

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura N°1 Aislador sísmico………………………………………………... 7 Figura N°2 Disipador de energía………………………………………… 7 Figura N°3 Aislador circular……………………………………………… 7 Figura N°4 Disipador……………………………………………………… 7 Figura N°5 Función del disipador…………………………………………… 9 Figura N°6 Disipadores en todo un edificio…………………………………. 12 Figura N°7 Disipador friccional de tipo “Pall”……………………………… 13 Figura N°8 Disipador de fricción…………………………………………... 14 Figura N°9 Disipador viscoso…………………………………………… 14 Figura N°10 Disipadores viscosos conectados a una estructura metálica 15 Figura N°11 Tipos de disipadores viscosos………………………………. 16 Figura N°12 Ventaja del disipador de energía viscoso………………….. 16 Figura N°13 Disipador en el aeropuerto Jorge Chávez………………… 18 Figura N°14 Edificio GERPAL…………………………………………… 19 Figura N°15 Disipador RESTON SA………………………………………. 19 Figura N°16 Disipador RESTON STU……………………………………... 19 Figura N°17 Disipador RESTONPSD……………………………………… 19 Figura N°18 Efecto de un sismo en un edificio…………………………… 20 Figura N°19 Efecto de un sismo en un edificio con aislación de base…. 21 Figura N°20 Torre Mayor……………………………………………………. 22 Figura N°21 La Catedral de Nuestra Señora de Los Ángeles…………. 23 Figura N°22 Ayuntamiento de Los Ángeles……………………………….. 23 Figura N°23 Torre Latinoamericana........................................................... 23 Figura N°24 Edificio El Moro………………………………………………… 24 Figura N°25 Mausoleo de Ciro……………………………………………… 24 Figura N°26 Aislador con centro de plomo……………………………….. 24 Figura N°27 Aislador sin centro de plomo………………………………... 25 Figura N°28 Aisladores de péndulo………………………………………. 25 Figura N°29 Universidad Nacional Ingeniería……………………………. 26 Figura N°30 Péndulo………………………………………………………… 28 Figura N°31 Aplicación del amortiguador de masa………………………. 30 Figura N°32 Péndulo dentro del edificio…………………………………… 30 Gráfica N°1. Aceleración vs. Periodo natural, disipación de energía…… 10 Gráfica N°2 Aceleración vs. Periodo natural, Aisladores………………… 26

1.- INTRODUCCIÓN

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En los últimos años el mundo ha sido sorprendido por distintos movimientos sísmicos que han dado origen a una gran variedad de desastres estructurales, como por ejemplo: la ruptura o desvanecimiento de ciertas edificaciones.  Por esta razón es evidente que los profesionales dedicados a analizar y estudiar el efecto que genera la influencia de un movimiento sísmico en la el ámbito de la construcción, apoyándose de los avances de la ciencia y la tecnología realizan investigaciones y generan conocimientos con el objetivo de crear y aplicar el uso de materiales tecnológicos en la construcción, para disminuir y atenuar el efecto negativo generado por los movimientos telúricos.

Siempre atento al fomento de la cultura y a la difusión de valores nacionales, es motivo de orgullo presentar el siguiente trabajo monográfico: “Tecnología antisísmica”.

Entendido como un trabajo universitario cuyo objetivo principal es informar o dar a conocer las experiencias más recientes de investigación y/o aplicación de tecnologías sismo resistente que se han ido desarrollando en la actualidad.

De esta manera, este trabajo constituye un valioso material didáctico, informativo, actualizado y desarrollado sistemáticamente con un contenido amplio y detallado para la transmisión de información y conocimientos que servirán en el análisis de la importancia que generan las investigaciones de la ciencia y la tecnología antisísmica aplicadas en el ámbito de la construcción civil.

Para cumplir con nuestro objetivo esta monografía comprende: En la primera parte se menciona un concepto acerca de la tecnología antisísmica y su importancia en el ámbito de la construcción civil. En la segunda parte describiremos el uso de tres materiales tecnológicos sismo resistente en la construcción. Siendo el primero de ellos los disipadores sísmicos, la forma en la que se logra la disipación de energía sísmica, los tipos de disipadores sísmicos (metálicos, friccionales y viscosos) que existen, las ventajas y los beneficios que generan el uso de cada tipo de disipador y su ubicación en un edificio. El segundo material que describiremos será el aislador sísmico, mencionaremos el concepto, las características y los componentes de un aislador sísmico, las unidades de aislamiento, los tipos de aisladores sísmicos (con centro de plomo, sin centro de plomo y aislador de péndulo o superficie curva). Describiremos el fundamento teórico, las características y el proceso de funcionamiento de un péndulo antisísmico amortiguador de masa.

Finalmente mencionaremos las conclusiones y recomendaciones pertinentes que genera el análisis de la elaboración de este trabajo monográfico.

Para la elaboración del presente trabajo monográfico se ha tenido en cuenta como punto referencia, investigaciones anteriores, ensayos periodísticos y apartados

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que mencionan el uso de materiales tecnológicos sismos resistentes en la construcción, publicados en páginas web.

El grupo no ha problematizado esfuerzo alguno para obtener los conceptos mencionados en este trabajo monográfico; por el contrario se desarrolló la monografía con un pensamiento crítico y que tiende siempre a brindar los conocimientos adquiridos en la elaboración de esta monografía a todos los demás, para la difusión de su contenido y demás informes que se nos asignen.

Finalmente agradecemos la oportunidad de poder manifestar nuestro esfuerzo a través del presente trabajo, y desde ya manifestamos que brindaremos cada vez más un mayor esfuerzo en el cumplimiento de las demás actividades universitarias.

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2.- DESARROLLO

La tecnología antisísmica trata de los medios y dotaciones que son precisos para asegurar las construcciones de eventuales movimientos sísmicos. La correcta solución necesita conocer datos previos del terreno donde se asienta la construcción.

El segundo dato fundamental es la dotación a la estructura de las juntas elásticas adecuadas para absorber las energías que generen los movimientos tectónicos.

El tercer factor relevante es conjuntar el diseño total de la construcción teniendo en cuenta los factores de asentamiento y estructurales para que el conjunto de la vivienda pueda ser totalmente segura.

Estos requisitos solamente pueden ser satisfechos mediante estudios apropiados y tecnologías adecuadas, tales como se mencionarán a continuación.

2.1. Aisladores y Disipadores Sísmicos:

Sistemas de Aislación y Disipación Sísmica, son sistemas presentes entre la subestructura y la superestructura de edificios, puentes y también en algunos casos, en la misma superestructura de edificios, que permiten mejorar la respuesta sísmica de ellos, aumentando los periodos y proporcionando amortiguamiento y absorción de energía adicional, reduciendo sus deformaciones según sea el caso.

Figura N°1. Aislador sísmico Figura N°2. Disipador de energía

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Figura N°3. Aislador circular Figura N°4. Disipador

Es importante, en esta parte, saber distinguir los conceptos de aislación sísmica y disipación sísmica para ello haremos un breve resumen:

La aislación sísmica: Consiste en desacoplar la estructura de la sub-estructura por lo que se utilizan los dispositivos llamados aisladores que se ubican estratégicamente en partes específicas de la estructura, los cuales, en un evento sísmico, proveen a la estructura la suficiente flexibilidad para diferenciar la mayor cantidad posible el periodo natural de la estructura con el periodo natural del sismo, evitando que se produzca resonancia, lo cual podría provocar daños severos o el colapso de la estructura.

La disipación sísmica: Es una de las partes esenciales en la protección sísmica, los disipadores tienen como función, como su nombre lo expresa, disipar las acumulaciones de energía asegurándose que otros elementos de la estructuras no sean sobre exigidos, lo que podría provocar daños severos a la estructura. Las complejas respuestas dinámicas de la estructuras requiere de dispositivos adicionales para controlar los desplazamientos horizontales.

Ahora con una noción más clara pasemos a describir cada una de ellas cada uno de ellos:

2.1.1. DISIPADORES DE ENERGÍA SÍSMICA:

Un disipador tiene como función principal absorber la energía sísmica que ha ingresado al edificio. Cuando se tiene un sismo muy severo, la fuerza con la que la naturaleza empuja de manera horizontal a cualquier elemento es aproximadamente igual al propio peso. Gran cantidad de la energía se disipa en parte por la fisuración de los elementos o también cuando se tienen alguno que se ha colocado para absorber o eliminar esas fuerzas; es así que las edificaciones de concreto armado atenúan una gran cantidad de energía por la fisuración, sin embargo hay una forma de disipar sin provocar daños.

El disipador es para edificios flexibles que se van a mover bastante, comúnmente por encima de los 10 pisos, controlando su desplazamiento entre un nivel inferior y otro superior mediante unas diagonales y dentro de unos amortiguadores que van a absorber la energía sísmica. Se usan diagonales metálicas por lo general, y en los extremos de éstas se suele insertar y colocar un disipador que va a funcionar

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igual que un amortiguador de un carro: absorberá la energía y provocará que el edificio se mueva menos, causando pocos daños en la parte inferior.

Los disipadores tienen la particularidad de que no hacen resistencia hacia el movimiento de la construcción sino que tratan de absorber la energía a través del movimiento que el edificio tiende a tener, pero los esfuerzos máximos que se producen son cuando el edificio está quieto. Sin embargo, en la máxima deformación de la torre, estos elementos trabajan en su mínimo esfuerzo. Por eso durante sismos severos esto es muy conveniente porque un edificio siente la reacción de un disipador más fuerte cuando no está deformado, y cuando esto ocurre, tienden a lograr un equilibrio bastante compensando o atenuado.

Figura N°5. Un disipador tiene como función principal absorber la energía sísmica que ha ingresado al edificio.

a. ¿Cómo se logra la disipación de energía sísmica?

La disipación de energía se logra mediante la introducción de dispositivos especiales en una estructura, que tiene por misión oponerse al movimiento del sismo y generar fuerzas contrarias a la fuerza del mismo con el fin de reducir las deformaciones y esfuerzos sobre ella. Estos dispositivos reducen la demanda de deformación y esfuerzos producidos por el sismo mediante el aumento del amortiguamiento estructural pues se reducen las fuerzas sísmicas y los desplazamientos. Es como si una estructura

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diseñada para una aceleración de 0.4 G fuera realmente diseñada para 0.3 G, con lo que estamos aumentando el amortiguamiento del 5%, que es lo normal en edificios, a uno de 15% o 20%.

Como resultado los esfuerzos inducidos por el sismo en la estructura pueden ser hasta un 50% menores que los correspondientes a la estructura sin disipadores, reduciendo sustancialmente las incursiones inelásticas (daño) de la estructura. La estructura sin disipadores de energía sobrevive el sismo severo disipando energía en sus elementos principales, los cuales van a ser los que sufren los daños. En la estructura con disipadores, la energía es absorbida por estos dispositivos reduciendo significativamente las deformaciones y el daño estructural.

b. ESPECTRO GENERAL DE DISEÑO: Efecto de disipación de energía:

Los disipadores sísmicos, actúan disipando grandes cantidades de energía, asegurando que otros elementos estructurales no sufran demandas excesivas que signifiquen daños.

Los disipadores de energía modifican la propiedad dinámica de amortiguamiento del sistema estructural de modo que las vibraciones inducidas por la excitación son absorbidas por estos dispositivos. Su utilización es especialmente adecuada en edificios flexibles fundados sobre cualquier tipo de suelo.

Los disipadores de energía actúan modificando el periodo natural de la estructura no aislada de modo de reducir la aceleración sobre la estructura aislada.

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Gráfica N°1. Aceleración vs. Periodo natural, disipación de energía.

c. Tipos de disipadores:

Disipadores metálicos:

Se caracterizan por tener un comportamiento histerético dúctil que es, en gran medida, independiente de la velocidad de deformación.

Los disipadores metálicos de energía son capaces de reducir cerca del 40 por ciento las deformaciones máximas esperadas durante un sismo severo, lo que permite mejorar el desempeño del edificio de forma sustantiva en relación con otro edificio convencional de similares características.

Diversos disipadores han sido ensayados a rotura y dinámicamente en equipos de gran capacidad (100 toneladas) a requerimientos sísmicos que emulan el comportamiento del edificio y a deformaciones del orden de dos veces las esperadas en el sismo máximo probable a que será sometido el edificio durante toda su vida útil.

Los ensayos se enfocan en el comportamiento del metal y del dispositivo como tal. El acero, material componente comúnmente usado en los dispositivos metálicos, debe ser ensayado a compresión y tracción, si el modo de falla y el comportamiento histerético del dispositivo están asociados a esfuerzos axiales. Sí el modo de falla es por cortante, flexión o torsión, se deben hacer los respectivos ensayos para obtener su comportamiento histerético. También se deben ensayar prototipos del dispositivo ya construido y ensamblado para validar su comportamiento histerético.

Beneficios y ventajas de los disipadores de energía sísmica:

Los disipadores histeréticos metálicos ofrecen medidas de rehabilitación o reforzamiento estructural sin comprometer de manera significativa la arquitectura y brindando un mayor nivel de seguridad en comparación con las técnicas tradicionales.

El gran aporte tecnológico de esta innovación es que es posible bajar sustantivamente las deformaciones sísmicas de un edificio de altura a un costo más eficiente, con la reducción de los movimientos de la torre durante y después del sismo gracias al:

Bajo costo de instalación y puesta en obra de los dispositivos de control.Bajo costo de mantenimiento de los dispositivos de control.

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Bajo costo de reemplazo de los dispositivos de control.Bajo costo de fabricación de los dispositivos de control.No requiere mano de obra altamente calificada para la instalación de los dispositivos de control.Fácil consecución de materiales necesarios para la fabricación de los dispositivos en el país.

Su ubicación en los edificios:

Estos disipadores van en los extremos y también en dirección longitudinal del edificio escondidos en la caja de elevadores.

Desde el punto de vista constructivo, la arquitectura y el diseño estructural del edificio son capaces de incorporar elementos que permiten conectar estos disipadores metálicos cada tres pisos, lo que mejora la eficiencia de entre 3 y 9 veces.

Figura N°6. Disipadores en todo un edificio.

La razón de su ubicación fue aprovechar al máximo las deformaciones para poder disipar la energía que el sismo le transfiere a la estructura. Los extremos debieran ser naturalmente los sectores con mayor desplazamiento en la planta del edificio y, por ende, al colocar ahí los disipadores la eficiencia también aumenta mucho. Adicionalmente, la razón de ubicarlos cada tres pisos es lograr una amplificación de la deformación lo que mejora enormemente la disipación de energía.

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Disipadores friccionales:

Se caracterizan por tener un comportamiento histéretico que se logra a través de la fricción seca entre dos metales. El principio básico de los disipadores fricciónales consiste en utilizar la deformación relativa entre dos puntos de una estructura para disipar energía a través de fricción.

Al producirse la fricción entre 2 o más superficies de contacto entre elementos, se produce una disipación de energía que dependerá de las características de los materiales en cuestión, ya que entre mayor sea el roce presente, mayor será la pérdida disipada. Debido a esta condición es que este tipo se mantiene inactivo mientras no se alcance un límite de carga capaz de romper la barrera de estaticidad que impone el roce presente, por lo que su activación o participación efectiva durante un sismo presentara un cierto nivel de incertidumbre.

Estos dispositivos pueden llevarse a cabo de distintas maneras, que incluyen conexiones deslizantes con orificios ovalados, sus siglas en ingles son SBS (Slotted Bolted Connection), dispositivos con superficies de contacto sometidas a pre compresión. Un ejemplo de disipador friccional es un tipo “Pall” del cual se adjunta un esquema representativo a

continuación: Figura N°7. Disipador friccional de tipo “Pall”.

Este dispositivo es el más simple de todos. Pues consiste en una unión de dos placas paralelas de acero interconectadas entre sí a través de láminas

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de bronce y pernos de alta resistencia. El deslizamiento entre las placas se produce a través de orificios ovalados como se pude notar en la figura siguiente:

Figura N°8. Disipador de fricción.

Disipadores viscosos:

Los disipadores viscosos o dampers son elementos que se adosan a los pórticos estructurales y que en un movimiento sísmico disipan energía sísmica a través del paso de fluido viscoso en su interior ocasionando una resistencia al movimiento libre del edificio.

Reducción del desplazamiento y el esfuerzo:

El disipador de fluido viscoso reduce los esfuerzos y la deflexión al mismo tiempo porque la fuerza del disipador está completamente fuera de fase con los esfuerzos debido a la flexión de las columnas. Esto sólo se cumple con el amortiguamiento de fluido viscoso, donde la fuerza del disipador varía con la velocidad. Además los disipadores viscosos regresan a la posición original luego de producirse un evento sísmico a diferencia de los disipadores metálicos de fricción y visco elásticos.

Figura N°9 Disipador viscoso.

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Instalación de los disipadores viscosos:

Los amortiguadores de fluido viscoso se pueden instalar como miembros diagonales de varias maneras, o puede atarse en los arriostres.

Requieren adicionalmente de ir conectados a una estructura metálica.

Figura N°10. Disipadores viscosos conectados a una estructura metálica.

Inversión en disipadores viscosos:

De los diseños de experiencias peruanas, se ha determinado que la inversión en disipadores viscosos están entre el 0.5% y el 2% del valor del proyecto, sin tomar en cuenta la disminución de volúmenes de concreto y acero.

Además al no requerir mantenimiento ni reemplazo luego de un terremoto severo y sus réplicas, no hay gastos adicionales por mecanismos de abrasión, desgastes, rozamiento ni destrucción por fluencia, también se eliminan o disminuyen notablemente los costos de reconstrucción los cuales pueden estar entre un 25% y 30% de la inversión inicial, sin considerar las pérdidas de vidas humanas.

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Figura N°11. Tipos de disipadores viscosos.

Ventajas de los disipadores viscosos:

Ventajas técnicas:

Reducen los desplazamientos de la estructura ante un sismo.Constituyen un elemento estructural adicional.Disipan entre un 20% y 50% la energía sísmica.Las fuerzas de disipación incrementan con la velocidad por lo que ante un evento telúrico muy grande el comportamiento del disipador viscoso es el ideal. Ideales para aplicaciones en edificios nuevos y también para reforzamientos.No incorporan esfuerzos adicionales a la estructura.

Figura N°12. Ventaja del disipador de energía viscoso.

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Ventajas funcionales:

Estéticos.Fácil montaje e instalación.Regresan a su posición original luego de un fuerte terremoto.

Ventajas económicas:

Por los años usados en la industria militar y aeroespacial son los únicos disipadores que son fabricados a prueba de averías. No requieren mantenimiento.Permiten reducir volumen de concreto y acero con menores espesores de placas, columnas y vigas.Disminuyen daños en equipamiento y elementos no estructurales.No requieren reemplazo.

Garantías de calidad:

Cada disipador es sometido a ensayos de alta velocidad para verificar fuerzas pico de diseño antes de salir de fábrica.Los certificados de calidad son por cada disipador.Los materiales que conforman el disipador se fabrican bajo estándares de calidad de la industria aeronáutica.

Disipadores fluido viscosos en el Perú:

La introducción de los disipadores de fluido viscoso en el mercado peruano fue hecha por la empresa “CDV Representaciones”, líder mundial en amortiguadores para soluciones industriales y construcción.

Los disipadores de energía de líquido viscoso fueron aplicados hace varios años en la torre del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez. Se ha reforzado la torre central de 10 pisos del aeropuerto Jorge Chávez con un total de 42 disipadores de fluido viscoso. Un centro de control aéreo tan importante como éste merecía contar con tales dispositivos y, con el paso del tiempo la aplicación de estos ha concitado la atención de muchos inversionistas e ingenieros.

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Figura N°13. Disipador en el aeropuerto Jorge Chávez.

También podemos hablar del edificio de 15 pisos GERPAL, en la avenida Benavides, pues este tendrá disipadores mostrados no sólo hacia adentro sino hacia fuera, para que las personas vean que el edificio está protegido. Veremos unas diagonales que tienen la magia de defender la estructura en la que han sido colocadas y es la primera vez que se instalan en una nueva torre desde su diseño inicial.

El concepto no ha sido evitar el costo que significa colocar estos y ahorrar en algunos puntos de la estructura como vigas y columnas que, al estar menos esforzadas, van a requerir menos refuerzo. La idea ha sido diferente: ¿qué grado de seguridad adicional puede lograr una edificación común cuando se le colocan estos elementos? Este edificio ha sido concebido para superar dos escalas de seguridad a la que le corresponde normalmente. El proyecto, que tenía las características iniciales de un edificio común, ahora tiene una distinción de edificación esencial; es decir, que si un día se suscita un sismo muy severo, es probable que sea una de las pocas torres en pie.

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Figura N°14. Edificio GERPAL.

Algunas marcas de disipadores sísmicos de energía:

Figura N°15. Figura N°16 Figura N°17 Disipador RESTON SA Disipador RESTON STU Disipador RESTONPSD

Los disipadores RESTON SA de amortiguación hidráulica para disipar la

energía y controlar desplazamientos.

Los disipadores RESTON STU, son dispositivos de conexión temporal que

proveen una conexión rígida bajo movimientos de alta velocidad.

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Los disipadores RESTON PSD, son dispositivos de amortiguación de

fluido viscoso diseñados para poseer una función de resorte que retorna a

su posición al terminar el evento sísmico.

2.1.2. Aislación Sísmica:

La aislación sísmica consiste en desacoplar la estructura de la sub-estructura por lo que se utilizan los dispositivos llamados aisladores que se ubican estratégicamente en partes específicas de la estructura, los cuales, en un evento sísmico, proveen a la estructura la suficiente flexibilidad para diferenciar la mayor cantidad posible el periodo natural de la estructura con el periodo natural del sismo, evitando que se produzca resonancia, lo cual podría provocar daños severos o el colapso de la estructura.

El aislamiento sísmico es una herramienta de gran alcance de la ingeniería sísmica. Está basada en la idea de aislar una estructura del suelo mediante elementos estructurales que reducen el efecto de los sismos sobre la estructura.

Estos elementos estructurales se denominan aisladores sísmicos y son dispositivos que absorben mediante deformaciones elevadas la energía que un terremoto transmite a una estructura. El aislamiento sísmico es una colección de elementos estructurales para desemparejar una superestructura del edificio de su tierra que sacudiré y, así, para proteger la integridad del edificio.

Estos dispositivos pueden ser de diferentes tipos y formas, los más conocidos son los basados en goma de alto amortiguamiento, goma con núcleo de plomo, neoprenicos o fricciónales. Al utilizar estos elementos, la estructura sufre un cambio en la forma como se mueve durante un sismo y una reducción importante de las fuerzas que actúan sobre ella durante un sismo.

Figura N°18. Efecto de un sismo en un edificio.

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Figura N°19. Efecto de un sismo en un edificio con aislación de base.

               

a. CARACTERISTICAS:

El aislamiento de base es la herramienta más potente de la ingeniería sísmica permitiendo un control pasivo de la vibración de la estructura. Esta herramienta es capaz de proteger a una estructura (edificada por el hombre o no) del efecto devastador del impacto sísmico a través de un diseño inicial apropiado o de sus consecuentes modificaciones.

En algunos casos, la aplicación de aislamiento de base puede incrementar su resistencia al sismo considerablemente. Contrariamente a la creencia popular el aislamiento de base no hace al edificio a prueba de terremotos. En la actualidad la técnica está conseguida para cualquier tipo de edificio, incluso edificios más altos y flexibles.

Tienen un desempeño bajo todas las cargas de servicio, verticales y horizontales. Deberá ser tan efectiva como la estructura convencional.

Provee la flexibilidad horizontal suficiente para alcanzar el periodo natural de la estructura aislada.

Capacidad de la estructura de retornar a su estado original sin desplazamientos residuales. Provee un adecuado nivel de disipación de energía, de modo de controlar los desplazamientos que de otra forma pudieran dañar otros elementos estructurales.Los sistemas de aislamiento de base consisten en unidades de aislamiento con o sin componentes de aislamiento, donde:

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Las unidades de aislamiento, son elementos básicos del aislamiento de base que se encargan de ejercer el efecto de desacoplamiento entre el edificio y la cimentación.

Los componentes de aislamiento, son la conexión entre las unidades de aislamiento y las partes que no están desacopladas.

Por su respuesta al impacto del terremoto, todas las unidades de aislamiento pueden ser divididas en dos categorías básicas: unidades a cortante and sliding units. La primera evidencia de arquitectos usando el principio de aislamiento de base fue descubierta en Pasargadae, una antigua ciudad de Persia, ahora Irán.

Esta tecnología puede ser usada en el diseño estructural y también se puede realizar en edificios ya existentes. Basta con crear una planta para darle rigidez, lo que sería un diafragma donde asentar los aisladores y reservar un espacio para los previsibles desplazamientos de los edificios. Ejemplos de edificios que están montando aisladores son los ayuntamientos de San Francisco, Salt Lake, Los Ángeles, la Torre Latinoamericana, Torre Pemex y Torre Mayor en la Ciudad de México.

b. EDIFICIOS AISLADOS

Figura N°20. Torre Mayor

Torre Mayor fue el primer rascacielos en el mundo en contar con amortiguadores sísmicos, cuenta con 98 amortiguadores que liberan silicio para disipar la energía devastadora de un terremoto, es considerado el edificio más fuerte del planeta.

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Figura N°21. La Catedral de Nuestra Señora de Los Ángeles, en Los Ángeles, California

Figura N°22 Ayuntamiento de Los Ángeles

Figura N°23. Torre Latinoamericana en la Ciudad de México.

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Figura N°24 Edificio El Moro en la Ciudad de México, fue dotado con el primer Sistema de Flotación Elástica en un edificio.

Figura N°25 Mausoleo de Ciro, el edificio más antiguo aislado en base del

mundo.

c. TIPOS DE AISLADORES SISMICOS:

Los aisladores Sísmicos con centro de plomo, mantienen una rigidez inicial y una amortiguación que llega al 30%.

Figura N°26. Aislador con centro de plomo.

Los aisladores Sísmicos sin núcleo de plomo, están compuestos de una mixtura especial de caucho y placas de acero que permiten otorgar una amortiguación de hasta un 16%.

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Figura N°27. Aislador sin centro de plomo.

Los aisladores de Péndulo o superficie curva con RoboSlide (Superficie controlada por sensores) permitiendo una amortiguación sobre el 30%. Estos transmiten el esfuerzo vertical a la cimentación registrando rotaciones de una esfera contra una superficie cóncava. La superficie permite movimientos longitudinales como transversales con la posibilidad de controlar los sentidos de los movimientos mediante sus barras de control.

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Figura N°28. Aisladores de péndulo.

d. FICHA TECNICA ESPECTRO GENERAL DE DISEÑO:

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Reducción de aceleración mediante aislación sísmica

Gráfica N°2 Aceleración vs. Periodo natural, Aisladores.

Los aisladores sísmicos actúan modificando el periodo natural de la estructura no aislada de modo de reducir la aceleración sobre la estructura aislada.

e. El primer edificio del Perú con aislador sísmico se construirá en la UNI:

Figura N°29. Universidad Nacional Ingeniería.

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El primer edificio construido en Perú con el sistema de aisladores sísmicos estará en la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) y hará que un movimiento telúrico pase casi inadvertido para sus ocupantes, informó el ingeniero Javier Piqué del Pozo, 20 de julio del 2012.

El decano de la Facultad de Ingeniería Civil (FIC) de dicha casa de estudios explicó que ya empezó la licitación internacional para adquirir ese sistema, sobre el que se levantará el nuevo Centro de Información e Investigación de dicha facultad.

Explicó que la aislación sísmica de base separa la edificación del suelo mediante los aisladores, que son dispositivos cilíndricos de caucho que absorben, a través de deformaciones elevadas, la energía que un terremoto transmite a una estructura.

De esta manera, la fuerza del movimiento telúrico se ejerce sobre el dispositivo y la edificación prácticamente no se mueve, por lo que ofrece una seguridad hasta ocho veces mayor que aquella lograda en un edificio convencional.

Piqué dijo que inicialmente el edificio que se levantará en su facultad tendrá cuatro pisos y después se ampliará a 12. "Esa tecnología aísla el edificio; entonces se mueve la base y el edificio casi nada".

"Queremos demostrar que es posible hacer este tipo de construcciones en Perú y que le sirva a otra gente, sobre todo en hospitales y colegios", dijo al anotar que esta tecnología se halla ampliamente difundida en Japón, donde hay intensa actividad sísmica.

Añadió que una intención de su facultad es hacer labor de investigación académica y desarrollar la tecnología, a fin de que pueda aplicarse en las nuevas edificaciones sismo resistente que se levanten en el país.

Piqué refirió que si bien estas construcciones incrementan el costo de la edificación en 4 o 5 por ciento, a la larga el ahorro es mayor, porque si ocurriera un sismo fuerte la construcción resistirá y no habrá que gastar en remodelaciones.

A modo de ejemplo, comentó que un hospital de Chile tenía un pabellón con esta tecnología y otro con la construcción tradicional, y durante el último terremoto en ese país los médicos continuaron operando en el pabellón con el aislador sísmico, porque no hubo daños en la estructura.

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Los aisladores sísmicos están muy difundidos en Japón, Nueva Zelanda, Italia, Francia (donde empezó a introducirse hace 35 años) y últimamente en Chile. 

“En nuestro país será una experiencia original, pues no existe ni siquiera en norma técnica, por lo que la Facultad de Ingeniería Civil ha tenido que realizar investigaciones previas sobre su empleo antes de incorporarla”, añadió.

Cada aislador sísmico tiene un costo promedio de 500,000 nuevos soles y a las empresas postoras en la licitación se les exigirá calidad, experiencia y garantizar una larga vida, así como las posibilidades de recambio después de ese período.

El proyecto arquitectónico del nuevo Centro de Información e Investigación está aprobado y el Estado asignó una partida de un millón 200,000 soles para la primera etapa de cuatro pisos. El costo total de la obra, diseñada y ejecutada por profesionales de la FIC, se estima en cuatro millones de soles.

2.2. PÉNDULO ANTISÍSMICO O AMORTIGUADOR DE MASA:

Un péndulo es un sistema físico constituido por hilo inextensible sujeto a un punto fijo del que cuelga una masa que puede oscilar libremente. Para pequeñas oscilaciones, la masa describe un movimiento armónico simple, y su posición angular en función del tiempo viene dada por:

Figura N°30. Péndulo

Un dispositivo basado en la oscilación de un péndulo es el denominado amortiguador de masa, que se emplea para estabilizar edificios de muchas

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plantas frente a movimientos violentos causados por oscilaciones armónicas. Estas oscilaciones pueden estar producidas por terremotos, vientos, o cualquier otra fuente de vibraciones.

El amortiguador de masa es un péndulo de masa muy grande fabricado generalmente de hormigón o acero que se monta en el edificio que se quiere estabilizar.

El principio de funcionamiento del péndulo es bastante sencillo. Cuando el edificio empieza a oscilar por cualquiera de las causas mencionadas anteriormente, el oscilador de masa empieza a describir un movimiento oscilatorio en oposición a las oscilaciones de la estructura, con lo que éstas se amortiguan.

El amortiguador de masa más grande del mundo se encuentra en el interior del rascacielos Taipéi 101 de Taiwán. Es una bola de acero que tiene una masa de 660 toneladas.

Ejemplos de esta solución antisísmica para edificios la tenemos en muchos rascacielos de Japón, me refiero al péndulo compensatorio y amortiguador de masas o de inercia. Esta solución “anti terremotos” se encuentra colocada en la parte superior de los altos edificios y lo que hace es compensar el centro de gravedad del elemento evitando así su balanceo y posible desplome. En otras palabras, cuando el edificio se mueve en una dirección el amortiguador lo hace en dirección contraria absorbiendo la energía del movimiento y estabilizando así el edificio. En el caso concreto del edificio Taipéi 101, el amortiguador de masas se encuentra ubicado entre las plantas 88 y 92, este dispositivo no sólo elimina vibraciones verticales, sino también las horizontales. Se calcula que puede contrarrestar movimientos producidos por terremotos de hasta 7 en la escala de Richter y vientos de hasta 450 Km/h.

La masa es una gran bola de acero recubierta de oro que pesa unas 660 toneladas y se encuentra sostenida por medio de gruesos cables. La parte inferior está conectada a 8 cilindros hidráulicos que suavizan los más mínimos balanceos de la torre. Definitivamente una atracción turística para quien visite Taiwán.

Imágenes explicativas:

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Figura N°31. Aplicación del amortiguador de masa.

Figura N°32. Péndulo dentro del edificio.

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3.- CONCLUSIONES:

3.1. El uso de la física se ve muy representado en la tecnología antisísmica pues estos usan el principio de la conservación de energía como la base de su funcionamiento.

3.2. Los diferentes tipos de disipadores de energía sísmica y los costos que estos poseen hacen accesible su adquisición de acuerdo a la situación económica de un país y su necesidad.

3.3. La tecnología antisísmica brinda seguridad y confianza en los edificios en los cuales están instalados debido a que después de un movimiento telúrico, estos edificios son los que sufren los mínimos daños.

3.4. Una mayor inversión en tecnología antisísmica no implica un mayor costo de la construcción pues estos pueden reemplazar parte de la construcción e incluso reducir el costo.

4.- RECOMENDACIONES:

4.1. Se debe fomentar la tecnología antisísmica en países que sufren constantes movimientos telúricos pues estos son los más propensos a tener muchas pérdidas humanas.

4.2. Se debe capacitar constantemente a los futuros ingenieros civiles y los que ya lo son para que de esa manera ellos empleen la tecnología antisísmica en sus construcciones.

4.3. En el caso del Perú, se debe empezar a formar instituciones que puedan diseñar y crear tecnología antisísmica de acuerdo a las necesidades y situación geográfica que vivimos tal como lo viene desarrollando Chile.

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