AISLAMIENTO SÍSMICO DE EDIFIC A CIONES
AISLAMIENTO SÍSMICO DE EDIFICACIONES
Fundamentos clave en análisis y diseño de edificios aislados
PREFACIO
Saing Consulting, empresa especializada en el análisis y diseño de estructuras sismorresistentes con sistemas de protección sísmica, brinda esta guía como un pequeño aporte, producto del esfuerzo de equipo en pro del desarrollo de la ingeniería estructural en el Perú y Latinoamérica. Parte de sus integrantes conforman el Comité Técnico de Normalización de la Norma Técnica de Aislamiento Sísmico del Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento del Perú. En Saing Consulting contamos con más de 100 000 horas de diseño, supervisión y soporte técnico de sistemas de protección sísmica en el Perú y Latinoamérica.
Estos fundamentos clave son presentados ante la necesidad que se tiene como país sísmico de trabajar con buenas prácticas de diseño que aminoren el riesgo sísmico.
5
“Lo impredecible de un terremoto se compensa con un diseño y un aislador predecibles”
7 INTRODUCCIÓN 13 CAPÍTULO 1. Compendio de terremotos en el Perú y el mundo 15 1.1. Terremotos en el mundo 15 1.2. Terremotos y aislamiento sísmico en el Perú 19 CAPÍTULO 2. Conceptos generales sobre el aislamiento sísmico 21 2.1. Origen del aislamiento sísmico 21 2.2. Aisladores sísmicos 23 2.3. Tipos de aisladores sísmicos 23 2.3.1. Aisladores elastoméricos de caucho natural (LRB y RB) 23 2.3.2. Aisladores elastoméricos de caucho de alto amortiguamiento (HDR) 24 2.3.3. Sistema de péndulo friccional (FPS) 25 2.3.4. Deslizadores planos de PTFE 26 CAPÍTULO 3. Criterios de configuración de edificios aislados 27 3.1. Sistema de aislamiento sísmico 28 3.2. Subestructura 29 3.3. Superestructura 30 3.4. Configuraciones comunes al aislar un edificio 30 3.4.1. Esbeltez del edificio 30 3.4.2. Edificios sin sótanos 32 3.4.3. Edificios con sótanos 33 3.4.4. Manzanas aisladas 38 CONTENIDO
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 8 3.4.5. Sótanos aislados 41 3.4.6. Edificios con el sistema de aislamiento sobre los pisos superiores 42 3.4.7. Diferentes niveles de aislamiento 43 3.4.8. Sistemas estructurales 44 3.4.9. Aislamiento en edificaciones existentes 46 3.4.10. Aislamiento en ampliaciones de edificaciones existentes 48 3.4.11. Aislamiento en edificios de un solo piso 49 CAPÍTULO 4. Comentarios sobre las normas de aislamiento sísmico 50 4.1. Norma Técnica E.031 de Aislamiento Sísmico 51 4.1.1. Sismo máximo considerado 51 4.1.2. Características dinámicas del suelo 51 4.1.3. Deriva máxima permitida 52 4.1.4. Calificación de irregularidad estructural 52 4.1.5. Valores de variabilidad de propiedades de los aisladores 53 4.1.6. Diseño abierto a múltiples tipos de dispositivos 54 4.2. Norma americana ASCE/SEI 7-16 55 4.2.1. Derivas 55 4.2.2. Irregularidades 56 4.2.3. Factor de redundancia 56 4.2.4. Separaciones de edificaciones 56 4.2.5. Factores de modificación de propiedad (λ) 57 4.2.6. Fuerzas y desplazamientos laterales mínimos en estructuras aisladas 57 4.3. Norma AASHTO 58 4.3.1. Carga de pandeo crítico del aislador 58 4.3.2. Requerimientos en climas fríos 61 4.3.3. Capacidad de rotación 63 4.3.4. Deformación por corte debido a la compresión 63 4.3.5. Deformación por corte debido al desplazamiento 65 4.3.6. Deformación por corte debido a rotación 66 4.3.7. Requerimientos de estado límite 66 4.3.8. Combinación de corte y compresión 66 4.3.9. Deslizadores planos PTFE / superficies de contacto 67 4.3.9.1. PTFE: presión de contacto 68 4.3.9.2. PTFE: coeficiente de fricción 68 CAPÍTULO 5. Propiedades de los aisladores sísmicos 71 5.1. Aisladores tipo LRB y RB 72 5.1.1. Curva de histéresis 72 5.1.2. Rigidez inicial o elástica (Ke) 73
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 9 5.1.3. Rigidez posfluencia (Kd) 74 5.1.4. Fuerza de histéresis (Qd) 74 5.1.5. Fuerza de fluencia (F y) 75 5.1.6. Rigidez efectiva (Keff) 75 5.1.7. Energía disipada por ciclo (EDC) 76 5.1.8. Amortiguamiento efectivo (beff) 77 5.1.9. Coeficiente de amortiguamiento efectivo horizontal (Ch) 78 5.1.10. Rigidez vertical a compresión (K v) 78 5.1.11. Coeficiente de amortiguamiento vertical (C v) 80 5.2. Aisladores planos deslizantes PTFE 81 5.2.1. Curva histerética 81 5.2.2. Fuerza de fluencia (F y) 81 5.2.3. Rigidez efectiva (Keff) 82 5.2.4. Amortiguamiento efectivo (beff) 83 5.3. Sistema de aislamiento 83 5.3.1. Rigidez efectiva del sistema (KM) 83 5.3.2. Amortiguamiento efectivo del sistema (bM) 84 5.3.3. Desplazamiento traslacional (DM) 84 5.3.4. Desplazamiento total (DTM) 84 5.4. Factores de modificación de propiedad lambda (l) 85 CAPÍTULO 6. Metodología de diseño con aislamiento sísmico 87 6.1. Ecuaciones de movimiento relacionadas con el análisis de estructuras con aislamiento sísmico 87 6.1.1. Sistema de dos grados de libertad 88 6.2. Análisis estático 92 6.2.1. Definición 92 6.2.2. Limitaciones de uso 92 6.2.3. Procedimiento para el análisis estático 93 6.2.3.1. Estructuración y predimensionamiento 97 6.2.3.2. Modelamiento matemático 107 6.2.3.3. Ubicación de dispositivos 111 6.2.3.4. Combinaciones de carga para el diseño de aisladores sísmicos 111 6.2.3.5. Centro de masa y rigidez del sistema de aislamiento 113 6.2.3.6. Espectros de aceleración y desplazamiento 114 6.2.3.7. Periodo y amortiguamiento objetivos 115 6.2.3.8. Desplazamientos del sistema de aislamiento 115 6.2.3.9. Predimensionamiento y diseño de aisladores 117 6.2.4. Capacidad axial del aislador 119 6.2.5. Verificación de periodo y amortiguamiento efectivos del sistema 122 6.2.6. Fuerza de corte 122
CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 10 6.3. Procedimiento de análisis dinámico 123 6.3.1. Análisis dinámico modal de respuesta espectral 125 6.3.1.1. Procedimiento modal espectral 125 6.3.1.2. Espectro de respuesta sísmica 125 6.3.2. Análisis dinámico de respuesta en el tiempo 126 6.3.2.1. Consideraciones para el análisis tiempo-historia 127 CAPÍTULO 7. Buenas prácticas para el diseño con aislamiento sísmico 128 7.1. Combinación de aisladores LRB, RB y deslizadores planos 128 7.2. Deslizadores planos, superficies deslizantes y superficie de deslizamiento 131 7.3. Presión máxima admisible y espesor de las planchas internas de acero 132 7.3.1. Espesores mínimos de caucho y acero 133 7.4. Esbeltez del aislador 134 7.5. Diámetro adecuado del núcleo de plomo 134 7.6. Resistencia a la tracción del aislador y el efecto de cavitación 135 7.7. Soluciones especiales para levantamientos moderados y extremos 136 7.8. Muros de concreto armado en edificios aislados 139 7.9. El sismo vertical en el análisis sísmico con aisladores de base 140 7.10. Momentos de segundo orden y arriostramiento de pedestales 141 7.11. Factores de corrección por velocidad de ensayo 142 7.12. Factores de seguridad para pandeo crítico a deformación última 143 7.13. Evaluación de pandeo crítico a máxima deformación 143 CAPÍTULO 8. Ejemplo aplicativo de análisis de una estructura con sistema de aislamiento sísmico 145 8.1. Predimensionamiento de elementos estructurales y modelamiento matemático 152 8.2. Distribución de aisladores, centros de masa y rigidez 158 8.3. Definición del espectro de SMC 160 8.4. Análisis estático 163 8.4.1. Periodo y amortiguamiento efectivo objetivos 163 8.4.2. Desplazamientos del sistema de aislamiento 164 8.4.3. Predimensionamiento y diseño de aisladores y deslizadores sísmicos 166 8.4.4. Capacidad axial del aislador 173 8.4.5. Verificación de periodo y amortiguamiento efectivos del sistema 174 8.4.6. Fuerza de corte Vb 175 8.5. Análisis dinámico de la estructura con aislamiento 175 8.5.1. Análisis dinámico modal espectral 176
FUNDAMENTOS
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 11 8.5.1.1. Definición de elementos link 176 8.5.1.2. Definición de masa 178 8.5.1.3. Combinaciones de carga 178 8.5.1.4. Modos fundamentales de vibración 179 8.5.1.5. Derivas de entrepiso 180 8.5.1.6. Aceleraciones de entrepiso 181 8.5.1.7. Fuerza de corte en la subestructura 183 8.5.1.8. Cortante de diseño para la superestructura 184 8.5.2. Análisis tiempo-historia 187 8.5.2.1. Señales utilizadas 187 8.5.2.2. Escalamiento de señales 188 8.5.2.3. Definición de la función rampa 189 8.5.2.4. Definición de registros 189 8.5.2.5. Definición de la función peso 190 8.5.2.6. Definición de casos de carga 191 8.5.2.7. Definición de propiedades no lineales en los links 193 8.5.2.8. Cargas en aisladores y deslizadores 193 8.5.2.9. Derivas de entrepiso 199 8.5.2.10. Aceleraciones de entrepiso para análisis tiempohistoria 205 8.5.2.11. Energía disipada 209 8.5.3. Curvas histeréticas 209 8.5.4. Momento de segundo orden: Efecto P-Delta 212 CAPÍTULO 9. Evaluación de la variabilidad de las propiedades y ensayos de control de calidad 217 9.1. Evaluación de la variabilidad de las propiedades de los aisladores 217 9.2. Evaluación de ensayos de alta performance 223 9.2.1. Ensayo de alta velocidad 224 9.2.2. Ensayo de deformación última 226 9.2.3. Ensayo de variabilidad de propiedades en el tiempo 228 9.2.4. Ensayo de variación de cargas a compresión 229 9.2.5. Ensayos de fatiga y desgaste 230 9.2.6. Ensayos a temperaturas extremas 232 9.3. Ensayos de aisladores prototipo y de obra 233 9.3.1. Generalidades de los ensayos 235 9.3.2. Ensayos de aisladores prototipo 235 9.3.2.1. Ensayo n.o 1 237 9.3.2.2. Ensayo n.o 2 238 9.3.2.3. Ensayo n.o 3 238 9.3.2.4. Ensayo n.o 4 239 9.3.2.5. Ensayo n.o 5 239 9.3.2.6. Ensayo n.o 6 239
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 12 9.3.3. Ensayos de aisladores de producción 242 9.3.3.1. Ensayo n.o 1 242 9.3.3.2. Ensayo n.o 2 242 9.3.4. Ensayos de deslizadores 243 9.3.4.1. Ensayo n.o 1 243 9.3.4.2. Ensayo n.o 2 243 9.3.5. Ensayos de los materiales 245 9.3.5.1. Ensayos del caucho 245 9.3.5.2. Ensayos del acero 246 9.3.5.3. Ensayos del plomo 246 9.3.5.4. Ensayos del teflón (PTFE) 246 CAPÍTULO 10. Criterios de instalación 248 10.1. Consideraciones previas 249 10.2. Instalación de anclajes en estructuras metálicas 250 10.3. Instalación de anclajes en estructuras de concreto armado 252 10.4. Montaje del aislador 253 10.5. Instalación de anclajes superiores 255 10.6. Ajuste de pernos 255 10.7. Instalaciones flexibles y sistema de tapajuntas sísmicas 256 10.7.1. Instalaciones de agua 257 10.7.2. Instalaciones de desagüe 258 10.7.3. Instalaciones de agua contraincendio 259 10.7.4. Conexiones mediante cables 261 10.7.5. Accesos flexibles - tapajuntas sísmicas 261 10.7.5.1. Volados en concreto armado o acero 262 10.7.5.2. Tapajuntas sísmicas 262 10.8. Mantenimiento de los aisladores 265 10.9. Facilidad de inspección de los dispositivos 265 Comentarios finales 266 Bibliografía 268 Anexo 1 272 Anexo 2: Listado de ecuaciones y referencias 274
1 CAPÍTULO
Compendio de terremotos en el Perú y el mundo
Los terremotos son fenómenos recurrentes e inevitables que ocasionan muchas pérdidas humanas y materiales, así como la paralización de las actividades económicas. Al respecto, la tecnología de aislamiento sísmico ha mostrado su eficiencia en diversos eventos de este tipo ocurridos en el mundo. En el presente capítulo se hace un resumen de los principales terremotos que sucedieron en el Perú y demás países. Además, se describen algunas experiencias del comportamiento de edificios aislados durante terremotos importantes y se explica cómo se ha ido incrementando el uso de aisladores en el país.
1.1. Terremotos en el mundo
Quizá uno de los terremotos más destructivos que se han producido recientemente ha sido el de Tohoku-Japón, ocurrido el 11 de marzo de 2011. Este suceso causó más de 15 000 muertes por efecto del terremoto y también provocó un tsunami, el cual a su vez generó una catástrofe nuclear en Fukushima.
En la Tabla 1.1 se recopila información de otros eventos destructivos que han motivado el interés de los especialistas y que han llevado al desarrollo de la tecnología del aislamiento sísmico.
15
3 CAPÍTULO
Criterios de configuración de edificios aislados
Este capítulo trata acerca de las principales configuraciones que suelen presentarse en edificios aislados. De acuerdo con las definiciones dadas en la NT E.031, los edificios aislados están constituidos de tres partes: la subestructura, la superestructura y el sistema de aislamiento sísmico, como se muestra en en la figura 3.1.
Superestructura (estructura sobre el sistema de aislamiento)
Sistema de aislamiento
Nivel de base (elementos horizontales que transfieren las fuerzas entre los aisladores)
Interfaz de aislamiento
Subestructura
27
Aislador sísmico Capitel o ensanche
Aislador sísmico
Figura 3.1. Partes de una estructura aislada Adaptado de la NT E.031
el diseño de los pedestales, capiteles, vigas de conexión y cimentación se tendrán en cuenta los efectos de los momentos de segundo orden originados por la deformación de los aisladores. Esto será tratado en los capítulos 6 y 8.
A pesar de que la subestructura esté diseñada elásticamente, el diseño del sistema de aislamiento sea adecuado, los ensayos de los aisladores sean satisfactorios y la instalación se efectúe correctamente, puede suceder que durante un sismo el sistema no trabaje de la forma esperada debido a otros factores, como obstrucción de la junta de aislamiento sísmico, variación en el periodo del suelo, ocurrencia de un sismo mayor que el contemplado en el diseño, entre otros. Por eso, la subestructura debe ser diseñada considerando los criterios de ductilidad en concreto armado y acero ante un posible evento en el que pueda incursionar en el rango inelástico.
3.3. Superestructura
Está constituida por los elementos estructurales que se encuentran sobre el sistema de aislamiento sísmico. La superestructura debe ser diseñada con una fuerza sísmica reducida por un factor R, el cual está entre 1 y 2. Con ello, se busca que la estructura se comporte en el rango elástico y con mínima o nula probabilidad de incursión en el rango inelástico al entenderse que la fuerza sísmica se ha reducido por efecto de los aisladores.
Típicamente, la superestructura se compone de sistemas de pórticos de concreto o acero. No es usual emplear muros de corte de concreto ni arriostres de acero, dado que estos elementos pueden generar fuerzas de tracción o levantamientos en los aisladores, lo cual se explicará en este capítulo. Los criterios y metodología de diseño en concreto armado y acero para la superestructura son idénticos a los usados para edificios de base fija.
3.4. Configuraciones comunes al aislar un edificio
3.4.1. Esbeltez del edificio
La esbeltez de un edificio se expresa como la relación entre su altura y la dimensión de su lado más corto en planta. Cuando la relación de esbeltez es menor de 3 (recomendado), el aislamiento sísmico es más eficiente. Si la relación de esbeltez es mayor de 3 para un edificio aislado, existirá una tendencia a que presente efectos de volteo durante un evento sísmico, los que generarán fuerzas de tracción y levantamientos en los elementos
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 30
La rehabilitación o reforzamiento de estructuras con aisladores implica reducir los esfuerzos en la estructura existente de modo que satisfaga los requisitos de resistencia exigidos por los códigos actuales. Este tipo de metodología se ha aplicado exitosamente para la protección sísmica de edificios con gran valor patrimonial (principalmente en Estados Unidos), en los cuales un reforzamiento tradicional dañaría el valor original de la estructura. Ejemplos de ello son el San Francisco City Hall (figura 3.27), el Parlamento de Nueva Zelanda, el Oakland City Hall y el Puente Golden Gate de San Francisco (figura 3.28).
Fuente: DIS, 2007
Fuente: DIS, 2007
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 47
Figura 3.27. Estructura de San Francisco City Hall (EE. UU.) reforzada con aisladores elastoméricos
Figura 3.28. Puente Golden Gate de San Francisco (EE. UU.) reforzado con aisladores elastoméricos
CAPÍTULO Ejemplo aplicativo de análisis de una estructura con sistema de aislamiento sísmico
En este capítulo se desarrolla un ejemplo sobre el diseño del sistema de aislamiento sísmico para una edificación. Se aplica la metodología descrita en el capítulo 6, relacionada con el análisis estático y el análisis dinámico (tanto espectral como tiempohistoria). El plano de los dispositivos de aislamiento se encuentra en el anexo 1.
La edificación elegida corresponde a un hospital y está conformada por dos edificios de tres y siete pisos respectivamente. Para la configuración estructural, se analizan las siguientes alternativas:
a) Unir los dos edificios como una estructura única sobre un solo nivel de aislamiento sísmico
Como se muestra en la figura 8.1, que representa la vista en planta de esta propuesta, se piensa configurar una estructura cuya forma en planta sería en L con esquina entrante y con mayor predisposición a presentar irregularidad torsional. En elevación tendría un cambio de rigidez y resistencia, ya que después del tercer piso la estructura se reduciría en masa y rigidez. Con los aisladores, disminuyen los efectos de torsión en edificios irregulares, por lo que la estructura se podría diseñar de esta forma cumpliendo, incluso, las restricciones de irregularidad de la NT E.031. No obstante, en este caso se busca cumplir también las restricciones dadas por la NT E.030 para hospitales (categoría A1). Por tal razón, esta alternativa no se elige.
145
8
Finalmente, se genera el modelo tridimensional (figuras 8.16 y 8.17) con base en todas estas estimaciones, para continuar con los pasos descritos en los siguientes
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 157
Figura 8.15. Modelamiento de pedestal 140 × 140 en ETABS
V 50x100 V 40x80 V 40x80 V 40x80 V 50x100 V 50x80 V 50x80 V 50x80 V 50x80 V 50x80 V 50x80 C 60x85 C 85x85 C 85x85 C 60x85 P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6 P-7 V 50x80
ítems.
Figura 8.16
Figura 8.16. Elevación típica de estructura aislada
Es común que las columnas, al ser perimetrales, tengan poca carga muerta y requieran un solo aislador para soportar toda la carga máxima. Es necesario verificar que la carga muerta sea capaz de controlar las fuerzas de tracción y posibles levantamientos de los aisladores. Al usar un solo aislador bajo cierta cantidad de columnas, se deben diseñar los capiteles y las vigas para soportar los momentos flectores originados por las excentricidades de las cargas, y hacer coincidir el centro de las cargas con el eje central del aislador.
No hay fuerzas de tracción en aislador.
No hay levantamiento de aislador.
Dos columnas sobre aislador sísmicoDos columnas sobre dos aisladores sísmicos
Figura 3.18. Comparativo de uno y dos aisladores debajo de dos columnas
CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 40
FUNDAMENTOS
V C-1
V V T T T CM CM 0.9 CM > T 0.9 CM < 2*T Posible levantamiento de aisladores.
C-2
Fuerza de corte = V Fuerza de corte = 2*V C-1
Aisladores sometidos a fuerzas de tracción.
C-2
P 1 P 2 P n P 1 ≠ P 2 ≠ P n C (carga) Aislador
Figura 3.19
Figura 3.19. Alineamiento del centro de cargas con el centro del aislador
del área reducida A r es obtenida mediante análisis geométrico y se aplica en el cálculo de la capacidad de pandeo crítico del aislador. B
Ar = B ( δ-sinδ) 2 4
δ = 2cos -1 B d t
Figura 4.1. Áreas superpuestas en aisladores elastoméricos según la GSSID
Fuente: AASHTO, 2014
La fórmula de resistencia al pandeo crítico proviene de la ecuación general de pandeo de Euler, adaptada a las características de los aisladores, y depende principalmente del diámetro, altura del caucho, área reducida y la deformación horizontal. Por ello, la verificación por pandeo permite obtener las dimensiones adecuadas para los aisladores.
La ecuación de pandeo crítico de los aisladores elastoméricos estipulada en la GSSID está dada por: (4.1)
Donde:
Pcrit: carga axial máxima a soportar por pandeo crítico, en N
G: módulo de corte del caucho, en Pa
S: factor de forma del aislador
FUNDAMENTOS
59
CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS
d
t
95
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS
F y-LIV λmin * Qd λmin * K d K e-LIV D y -LIV DM LIV Keff LIV a DM LIV Deformación lateral
Figura 6.4. Compor tamiento bilineal de aisladores considerando fac tores de Fuerza cortante
DLS < DLi FLS > FLi
Figura 6.5. Compor tamiento bilineal de aisladores considerando límite inferior de variación (LIV )
Las vigas también pueden ser de sección variable, ya sea por requisitos arquitectónicos, presencia de rampas, desniveles de escaleras o ascensores (figura 6.13).
En caso de que la estructura sea de acero estructural, las vigas también deben ser capaces de soportar los momentos de segundo orden. Se recomienda usar perfiles W arriostrados adecuadamente para tener resistencia al pandeo lateral, además de dar adecuado detallamiento en las conexiones, ya que estas deben garantizar la transferencia
FUNDAMENTOS CLAVE EN ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS AISLADOS 103 Columnas Columnas Capitel Capitel Viga 2 Viga 1 Columnas Columnas Capitel Capitel Viga única más rígida ≈
6.12
Figura
Figura 6.12. Vigas de conexión de capiteles en manzanas aisladas
Aislador o deslizador Capitel Viga Ascensor o escalera Cimentación Capitel Aislador o deslizador Aislador o deslizador Muro Viga de sección variable Distancia entre muro y columna Junta sísmica Capitel
Figura 6.13
Figura 6.13. Conexión de capiteles con vigas de sección variable
de momentos de un punto a otro.
