Aplicación
de Aisladores Sísmicos en Modelos de Edificaciones Hospitalarias
Application of Seismic Insulators in Models of
Hospital Buildings
Dr.
Ing. Jaime Walter Blas Cano
ORCID:0000-0002-0919-9306
Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Lima Perú
Dr. Ing. Rocío del Pilar Blas Rebaza
ORCID:
0000-0002-9376-3095
Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo.
Lambayeque Perú
Mg. Ing. Maruja Emélita Blas Rebaza
ORCID:
0000-0002-5555-7792
Universidad Nacional Tecnológica de
Lima Sur. Lima Perú
Resumen:
El objetivo principal es
Analizar la incidencia del sistema de aislamiento sísmico basal, realizando la
comparación de comportamiento estructural de un Sistema de base aislada y una
estructura convencional (base fija), mediante los análisis espectral y tiempo
historia, aplicándose la normativa peruana y la Norma NCh 2745-2013
Palabras
claves:
Incidencia, Aislamiento, Espectral, Tiempo Historia, alto amortiguamiento,
elastómero, interface, subestructura.
ABSTRACT
The main objective is to analyze the incidence of the basal seismic
isolation system, comparing the structural behavior of an isolated base system
and a conventional structure (fixed base), through spectral analysis and time
history, applying the Peruvian regulations and the Standard NCh 2745-2013
(CHILEAN, 2013). From the procedures chosen according to the Peruvian standard,
the following have been determined: vibration of the structure, distortion of
the structure, displacements of the incoming corners, absolute accelerations,
and basal shear. Finally, it can be concluded that in no case have the maximum
ranges been exceeded with the application of the isolation system, therefore
the HDR system is ideal since it would provide a reserve margin for an eventual
greater displacement.
Key Words: Incidence, Privacy,
Spectral, Time History, high damping, elastomer interface, substructure.
Introducción:
En la presente
investigación desarrollada, sobre las infraestructuras hospitalarias del
Departamento de Ancash, de acuerdo al planteamiento de problema se ha medido la
incidencia del sistema de aislamiento sísmico basal de las Infraestructuras
Hospitalarias de la Provincia de Huaraz, Provincia Carhuaz y Monterrey, debido
a que en la actualidad no se enfatiza la importancia de la aplicación de
dispositivos reductores de respuesta así como aisladores símicos basales, a su
vez no existe experiencia en la utilización debido a que recién se viene
difundiendo la aplicación en la Norma Técnica Peruana; Solo se han analizado,
diseñado, y se han construido hasta la
actualidad estructuras clásicas ellas encontrándose muy vulnerable ante evento
sísmico.
Se ha tomado en cuenta
los antecedentes y las experiencias extranjeras que hasta la fecha existe, así
como a nivel Latinoamérica el país de Chile contempla la norma NCh 2745-2003
Con la ayuda del
software estructural Etabs V.17. Se ha logrado analizar la incidencia mediante
el comportamiento de cada uno de los modelos estructurales. El análisis
contempla la comparación de la estructura clásica versus la estructura de base
aislada, para la primera (estructuras clásicas) se ha utilizado la Normativa
Peruana que contempla la norma de cargas E.020, norma simorresistente E.030
Para la estructura
clásica y de base aislada, para los tres modelos hospitalarios del estudio, se
ha analizado para el caso espectral, el Espectro Peruano, teniendo en
consideración los parámetros especificados para los casos donde se desarrolló
la investigación así como: factor de zona (Z) de 0.40, la importancia (U) es de
categoría 1.5 (esencial), parámetro de
suelo (S) 1.2, factor de amplificación sísmica (C) de 2.5, periodo de retorno
de 1.6, coeficientes de reducción sísmica (R) en ambas direcciones igual a ocho
(8) por considerarse un sistema porticado;
y para el análisis de Tiempo Historia se utilizó diez casos de registros
sísmicos Históricos Peruanos, cinco casos de sismo en cada dirección X e Y, las
mismas que fueron escaladas en un intervalo de tiempo de 0.02seg y normalizadas
a una aceleración esperada de 0.4g, para obtener resultados y realizar la
comparación optima se ha escogido el caso de máxima aceleración siendo los
casos de CASOX2 y CASOY2 pertenecientes a los registros 66N08E, 66N82W, respectivamente.
Respecto al desarrollo
de los resultados de la estructura clásica y de base aislada, para cada uno de
las infraestructuras hospitalarias se ha obtenido: la participación másica de
cada nivel siendo obteniéndose el metrado automático por el computador, la
participación modal vibración de la estructura, distorsión en planta de los
modelos estructurales, desplazamientos máximos y derivas según la normativa en
las esquinas entrantes, aceleraciones absolutas que genéricamente se dan en la
mayor altura de una estructura, finalmente la cortante basal se da en el primer
nivel de cada uno de los modelos estructurales, en resumen se obtienen las
fuerzas estáticas en las bases de las estructuras y el coeficiente sísmico que
es lo determinante de los desplazamientos; para el sistema de aislación
(interfaz) se utilizó como parte del objetivo específico el aislador de alto
amortiguamiento (HDR) por ser lo más recomendado, utilizado y tener gran
importancia las infraestructuras hospitalarias, por ende se ha desarrollado un flujograma
con catorce pasos obligatorios, como debe procederse el análisis y diseño de un
aislador elastómero de alto amortiguamiento, así como el análisis bilineal en
el rango no lineal que es recomendado por la Norma Chilena. Y finalmente se
obtiene las características finales del aislador para su colocación en el
sistema de aislación basal de los modelos estructurales hospitalarios.
Métodos
y pruebas realizadas
Tipo: De
acuerdo al fin que persigue: Básica y Aplicada.
De acuerdo al diseño de investigación: Descriptiva y
Longitudinal.
Diseño de Investigación
El diseño de la investigación es Cuasi experimental.
Estrategia de prueba
de hipótesis
Se empleará la prueba estadística del análisis de
Chi cuadrado con la
finalidad de contrastar la hipótesis.
Análisis
y Diseño del Sistema de Aislación, se efectuó el procedimiento
recomendado por la NCh 2745 de diseño de sistemas de aislamiento basal, y la
investigación desarrollada para el Modelamiento de Aislamiento Sísmico
Modelamiento
Tridimensional de las infraestructuras hospitalarias, se ha efectuado el modelamiento con el uso del programa
estructural ETABS V.17 tanto para la estructura tradicional versus la
estructura de base aislada de los diferentes hospitales del departamento
Ancash.
Procedimiento
de y análisis de datos, se
ha efectuado según las recomendaciones de la Normas que lo limitan al
comportamiento sismorresistente de una estructura tridimensional indicado en la
introducción. Cabe mencionar que se utilizó el análisis Espectral y Tiempo
Historia para obtener la incidencia del sistema de aislamiento sísmico basal.
Modelamiento
Tridimensional Tradicional
Cargas
Carga Muerta: considera Columnas, vigas, las mismas
que serán calculadas por el computador programa estructural (ETABS V.17), y
losa aligerada, Muros, que serán optados según norma E.020. en el cuadro N°1, se visualiza un resumen de
las cargas muertas y vivas que se considera según la norma peruana E.020.
CUADRO N° 1. RESUMEN DE CARGAS
|
Tipo de Carga |
Und |
Hz. |
CHz. |
My |
||||||
|
1er Piso |
2do Piso |
3er Piso |
4to Piso |
5to Piso |
1er |
2do Piso |
1er Piso |
2do Piso |
||
|
Carga Muerta |
Tn/m2 |
0.440 |
0.440 |
0.440 |
0.440 |
0.440 |
0.440 |
0.440 |
0.440 |
0.440 |
|
Carga Viva |
Tn/m2 |
0.35 |
0.350 |
0.350 |
0.350 |
0.100 |
0.35 |
0.1 |
0.35 |
0.100 |
Elaboración propia
Donde:
Hz: infraestructura hospitalaria de Huaraz
CHz: infraestructura hospitalaria de Carhuaz
My: infraestructura hospitalaria de Monterrey
Análisis de Edificio
Base Fija
ü Peso de la edificación, en
edificios de categorías A y B, se tomará el 50% de la carga viva, y 100% de la
Carga Muerta según la normativa vigente.
ü Desplazamientos laterales, se calcularán
multiplicando por 0,75R a la deformación del entrepiso, de los resultados
obtenidos del análisis lineal y estático con las solicitaciones sísmicas
reducidas.
ü La cortante en la base del edificio
debe cumplirse según el reglamento E.030. Para estructuras regulares, donde
establece que la fuerza cortante obtenida mediante el análisis dinámico no
podrá ser menor que el 80% de la Cortante Basal.
ü El
Diafragma Rígido en el programa Etabs V.17 se ha aplicado porque en un plano
horizontal los elementos (Losas y Vigas) que conforman la estructura poseen en
conjunto de rigidez muy significativa en términos del modelo que se está
analizando, obteniéndose un comportamiento general como cuerpo rígido en el
plano, referido a un centro de masas. La rigidez para un diafragma rígido está
condicionada a la disposición y configuración geométrica del sistema. Al
aplicar un diafragma rígido se limitan las deformaciones axiales y se permiten
sólo tres grados de libertad (Ux, Uy y RZ) en la Planta.
Análisis Dinámico
El análisis
dinámico del presente estudio se efectuó mediante procedimientos de combinación
espectral.
I. Análisis
por Combinación Modal Espectral
Los
periodos naturales y los modos de vibración de la estructura se han calculado
previo modelamiento de la edificación.
1.2
Método
de Combinación Modal “CQC”: Combinación Cuadrática Completa ejecutada por el
computador
(Ec. 3.1)
Donde:
r :
representa una determinada respuesta al movimiento sísmico en una dirección
definida.
ri y rj : son las respuestas en cada modo i y j a ese movimiento
sísmico, las cuales deben tomarse con el signo asociado a la forma modal.
ωi, y ωj: son las frecuencias de los
respectivos modos.
ξ : es el coeficiente de amortiguamiento respecto del
crítico, el cual debe tomarse igual a 5% (caso típico para estructura de base
fija).
N : está
representa el número de modos utilizado en la combinación, y no el número de
pisos de la edificación.
Nota: Para
el caso de sistemas con frecuencias bien separadas entre sí, este criterio de
combinación tiende al clásico dado por la raíz cuadrada de la suma de los
cuadrados “SRSS” de cada máximo modal.
1.3 Aceleración
Espectral
Para
cada uno de las direcciones X e Y, se ha utilizado un espectro seudo inelástico
de pseudos-aceleraciones, definido por la fórmula:
(Ec. 3.1)
Donde
los parámetros considerados son: Factor de Zona Z = 0.40,
Categoría de la Edificación U = 1.50, Facto de Amplificación Sísmica C = 2.50,
Parámetro de suelo S = 1.20, Periodo Tp = 0.40seg., Coeficiente de reducción
Sísmica en X: Rx = 8.00, Coeficiente de reducción Sísmica en Y: Ry
= 8.00, Gravedad g = 9.81m/s2.
Según
los antecedentes anteriores descritos de la Norma Peruana, resumidas en el
Anexo en la ficha técnica de instrumentos y con la fórmula establecida
anteriormente se diseña los espectros en ambas direcciones; los valores calculados
de las aceleraciones en ambas direcciones se observan en el Cuadro N° 3.2.
Y
la gráfica de los espectros en ambas direcciones X e Y, de Aceleración versus
Periodo se muestran en las figuras 1 y 2.
|
Figura
1. Espectro de Diseño en X |
Figura
2. Espectro de Diseño en Y |
II. Análisis
Sísmico Tiempo Historia
2.1 Registros
Sísmicos en el Tiempo
Los
registros sísmicos están dados en términos de historia en el tiempo, la que se
aplican al modelo tridimensional serán las que tengan aceleración máxima de
cada registro, por considerarse los más vulnerables en la Historia Sísmica
Peruana; determinado por un intervalo de tiempo de 0.02seg. Para una excitación
especifica en cada dirección.
CUADRO
N° 2. Registro de Espectros de Máximas Aceleraciones en el Tiempo
|
Dirección N° |
Fecha de registro |
Nominación de registro |
Numero de intervalos de energía |
intervalo de tiempo de ingreso |
Aceleración Máxima |
Velocidad |
Desplazamiento |
|
mm/dd/aaaa |
(seg) |
(cm/seg2) |
(cm/seg) |
(cm) |
|||
|
X1 |
01/31/1951 |
51N08E |
1480 |
0.02 |
45.70 |
0.92 |
0.15 |
|
Y1 |
01/31/1951 |
51N82W |
1478 |
0.02 |
-60.40 |
-1.65 |
-0.31 |
|
X2 |
10/17/1966 |
66N08E |
3282 |
0.02 |
-269.30 |
-21.60 |
-16.60 |
|
Y2 |
10/17/1966 |
66N82W |
3283 |
0.02 |
-180.60 |
13.20 |
7.30 |
|
X3 |
05/31/1970 |
70N08E |
2259 |
0.02 |
-97.70 |
6.98 |
2.60 |
|
Y3 |
05/31/1970 |
70N82W |
2259 |
0.02 |
-104.80 |
4.71 |
1.60 |
|
X4 |
11/29/1971 |
71N08E |
2010 |
0.02 |
86.50 |
-4.22 |
-1.20 |
|
Y4 |
11/29/1971 |
71N82W |
2010 |
0.02 |
53.50 |
4.08 |
1.70 |
|
X5 |
10/03/1974 |
74N08E |
4899 |
0.02 |
179.00 |
10.30 |
-5.30 |
|
Y5 |
10/03/1974 |
74N82W |
4899 |
0.02 |
-192.50 |
14.50 |
6.40 |
FUENTE: Elaboración
Propia
2.2 Espectros
Los espectros son calculados por el computador tales
como Cortantes, desplazamientos, y espectros de diseño. Por ende, se han
sometido al análisis tiempo historia, diez registros, cinco en cada dirección
de análisis X e Y, en el orden cronológico.
2.3 Distorsión
La
distorsión o driff será calculada por la siguiente ecuación, la misma que está
establecida según la N.T.P. E.030:
(Ec. 3.3)
Dónde:
D2 es Deriva del piso 2 (piso superior), D1 es Deriva del
piso 1 (piso inferior), R es coeficiente de reducción (depende de la dirección
de análisis)
2.4 Parámetros
Los
parámetros sísmicos serán considerados los mismos valores que fueron
determinados anteriormente del presente capitulo.
2.5 Factor
de escala
El
factor de escala está determinado por la división de la aceleración esperada
entre la aceleración del registro; y multiplicada por factor de uso U, por el
factor de escala, y dividida por el factor de reducción dependiendo de la
dirección de análisis. La misma que está determinada por siguiente formula:
(Ec. 3.4)
Dónde:
Aceleración esperada en cm/seg2
ae=0.4g, Gravedad en g=981 cm/seg2, Factor
de uso U=1.5, Factor de suelo S=1.2, Aceleración de registro en el tiempo (ar)
en cm/seg2.
CUADRO
N° 3. CALCULO DEL FACTOR DE ESCALA EN
LA DIRECCION X
|
Caso de Tiempo Historia |
Registro de Funciones |
Numero de columnas del registro |
Aceleración Máxima de registro: ar |
0.4g |
f |
Factor de escala |
|
|
(und) |
(cm/seg2) |
(cm/seg2) |
|
fx10^-5 |
|||
|
CASOX1 |
51N08E |
X1 |
10 |
45.70 |
392.40 |
1.931947 |
1.931947E-05 |
|
CASOX2 |
66N08E |
X2 |
10 |
-269.30 |
392.40 |
0.327850 |
3.278500E-06 |
|
CASOX3 |
70N08E |
X3 |
10 |
-97.70 |
392.40 |
0.903685 |
9.036850E-06 |
|
CASOX4 |
71N08E |
X4 |
10 |
86.50 |
392.40 |
1.020694 |
1.020694E-05 |
|
CASOX5 |
74N08E |
X5 |
10 |
179.00 |
392.40 |
0.493240 |
4.932400E-06 |
FUENTE: Elaboración
Propia
CUADRO
N° 4. CALCULO DEL FACTOR DE ESCALA EN
LA DIRECCION Y
|
Caso de Tiempo Historia |
Registro de Funciones |
Numero de columnas del registro |
Aceleración Máxima de registro: ar |
0.4g |
f |
Factor de escala |
|
|
(und) |
(cm/seg2) |
(cm/seg2) |
fx10^-5 |
||||
|
CASOY1 |
51N82W |
Y1 |
10 |
-60.40 |
392.40 |
3.898013 |
3.898013E-05 |
|
CASOY2 |
66N82W |
Y2 |
10 |
-180.60 |
392.40 |
1.303654 |
1.303654E-05 |
|
CASOY3 |
70N82W |
Y3 |
10 |
-104.80 |
392.40 |
2.246565 |
2.246565E-05 |
|
CASOY4 |
71N82W |
Y4 |
10 |
53.50 |
392.40 |
4.400748 |
4.400748E-05 |
|
CASOY5 |
74N82W |
Y5 |
10 |
-192.50 |
392.40 |
1.223065 |
1.223065E-05 |
FUENTE: Elaboración
Propia
2.6 Modos
de Vibración
Los
modos de vibración deberán considerarse de tal forma que la participación
másica acumulada del modelo trabaje al 100%, según la norma peruana E.030
deberá trabajarse al 90%.
Modelo Tridimensional Basado en el
Sistema de Aislamiento Sísmico basal Se
ha modelado tomando las mismas consideraciones del modelamiento tradicional,
con la única diferencia que la estructura en su conjunto fue aislada mediante
aisladores de tipo elastomerico de alto amortiguamiento (HDR) en la base para
los tres modelos hospitalarias según las configuraciones que se muestran en la
figura 3, 4, y 5, para los hospitales de Huaraz, Carhuaz y Monterrey
respectivamente.
|
Figura 3. Distribución en planta de Aisladores elastomericos
de alto amortiguamiento (HRD) del Hospital de Huaraz (Hz) |
|
|
Figura 4. Distribución en planta de Aisladores
elastomericos de alto amortiguamiento (HRD) del Hospital de Carhuaz (CHz). |
Figura 5. Distribución en planta de Aisladores elastomericos
de alto amortiguamiento (HRD) del Hospital de Monterrey (My). |
A continuación,
se detallan las variaciones mínimas del modelamiento estructurales, el cual
permitirá que el sistema se considere aislado a la base del edificio:
a)
El
modelo será el mismo Tipo de servicio de Infraestructura hospitalaria, para el
hospital de Huaraz cinco niveles el primer piso de 3.5m más la altura del
aislador sísmico, el Hospital de Carhuaz de dos niveles se ha considerado la
altura entre piso 2.80m. más la altura del aislador y similarmente a esta
última para el hospital de Monterrey.
b)
Datos
de Diseño según las Normas Peruanas: serán consideradas las mismas que han sido
consideradas para una estructura clásica, para las superestructuras de los
modelos aislados de las infraestructuras hospitalarias.
c)
Las
Dimensiones generales de la estructura son las mismas que se consideró para el
modelamiento tridimensional tradicional, con los siguientes implementos mínimos
obligatorios:
ü Se ha colocado una losa en el
interfaz del plano aislado, considerando las mismas masas y pesos para un
diafragma de techo para un primer piso de análisis, a la vez contando con el
mismo espesor de análisis (0.05m tipo membrana), con fines de modelamiento
optado por criterio para dicha investigación.
ü Por último, se colocaron doscientos
veintiocho aisladores elastomericos de alto amortiguamiento (HDR) para el
hospital de Huaraz, cuarentaiocho aisladores para el Hospital de Carhuaz, y
treintaiocho aisladores para el Hospital de Monterrey; colocadas en los tres
modelos en toda la base del sistema estructural (interfaz del aislador).
A continuación,
en la figura 6, 7, 8, para los Hospitales de Huaraz. Hospital de Carhuaz y
Monterrey, respectivamente. Se presentan las configuraciones estructurales de
los sistemas de modelamiento de las estructuras con bases aisladas modeladas en
el Programa Etabs V.17 - No Lineal, según las consideraciones anteriores.
|
Figura
6. Modelación tridimensional con
sistema de aislacion HDR en la base del Hospital de Huaraz. |
|
|
Figura 7. Modelación tridimensional con
sistema de aislacion HDR en la base del Hospital de Carhuaz. |
Figura 8. Modelación tridimensional con
sistema de aislacion HDR en la base del Hospital de Monterrey. |
a) Cargas, Al igual que para el sistema tradicional se han considerado el
mismo criterio de la N.T.P. E.020. Es importante recordar que se ha considerado
la carga sobre la losa del piso aislado, el mismo que el aislador estará más
cargado que el sistema tradicional (modelamiento para un caso real).
Análisis
de Edificio Base Aislada
A
continuación del análisis de los sistemas aislados se deducen según la NCh2745
ü Peso de la edificación será similar
al tipo del modelo tradicional, se tomará el 50% de la carga viva, y 100% de la
Carga Muerta, según el cálculo del computador.
ü El límite de desplazamientos de
entre piso no debe ser mayor que la altura de entre piso multiplicada por 0.002
para el caso espectral; y para el tiempo historia será no mayor a la altura de
entre piso multiplicado por 0.0025.
ü El desplazamiento total máximo del
sistema aislado es 80%DTM.
ü La cortante del sistema aislado es
80%Vs, donde Vs es fuerza lateral mínima.
Análisis
Estático y Dinámico
Los Análisis Estático y Dinámico,
se han considerado los mismos criterios de estructuración para los tres modelos
aislados que para el sistema tradicional, así como se consideraron dos
espectros de diseño para cada dirección X y Y;
diez registros de funciones sísmicos peruanos en Tiempo Historia, cinco
para cada dirección X e Y respectivamente, con un amortiguamiento efectivo del
sistema de 12% según la Nch 2745
Las
variaciones consideradas de los modelos, para este Análisis No lineal y Lineal,
por estar aplicado la base a un sistema de Aislamiento Basal, corresponde al
comportamiento No Lineal; para que toda la estructura se comporte dentro del
rango Lineal, nos hemos basado a la Norma Chilena.
El
tipo de aislación en la base de estructura para el presente estudio de tesis,
se ha considerado un tipo de aislación Elastomerico de alto amortiguamiento
(HDR) ya que estas cuentan con el respaldo de una sólida base teórica, y su
comportamiento ha sido demostrado tanto teórica y experimentalmente,
demostradas inicialmente con experiencias de países de Norte América, Italia,
Japón, y entre otras.
Análisis
y Diseño del Sistema de Aislación
Según
la referencia de la NCh 2745-2003
CUADRO
N° 5. DATOS INICIALES PARA EL ANALISIS Y DISEÑO DEL SISTEMA DE AISLACION
|
A. DATOS INICIALES |
|
|
|
|
|
|
|
SIMB. |
Und. |
Hosp. Hz |
Hosp. CHz |
Hosp. My |
||
|
A.1 |
Conexión fija o de pernos |
|
|
Si |
Si |
Si |
|
A.2 |
Numero de Aisladores en planta: |
(N) |
Und. |
228 |
48 |
38 |
|
A.3 |
Peso real sísmico de toda la estructura: |
(W) |
tn |
48231.12 |
1588.40 |
776.73 |
|
A.4 |
Periodo objetivo de acuerdo a la experiencia: |
(TD) |
seg. |
2 |
2 |
2 |
|
A.5 |
Carga máxima en un aislador |
Pmax |
tn |
328.67 |
62.04 |
56.97 |
|
A.6 |
Carga mínima en un aislador |
Pmin |
tn |
73.25 |
40.82 |
12.13 |
|
A.7 |
Deformación de Corte directa máxima |
γs |
|
150% |
150% |
150% |
|
A.8 |
Deformación de corte directa máxima admisible |
γmax |
|
250% |
250% |
250% |
|
A.9 |
Sección anular del aislador sísmico |
Di |
cm |
2.4 |
2.4 |
2.4 |
|
A.10 |
Amortiguamiento efectivo del sistema |
β |
|
12% |
12% |
12% |
|
A.11 |
Tensión admisible de compresión |
σAC |
kg/cm^2 |
70 |
70 |
70 |
|
A.12 |
Cortante de la aceleración de gravedad |
g |
m/s^2 |
9.806 |
9.806 |
9.806 |
Fuente: Elaboración
propia
Diseño
del Aislador Elastomerico de Alto Amortiguamiento (HDR)
Se desarrollará el
procedimiento de cálculo que está basado según la NCh 2745, y algunas
bibliografías revisadas al respecto. A continuación, describimos algunos datos
para este tipo de aislador elastomérico de alto amortiguamiento HDR.
1) Establecer los límites de deformación de corte
directa máxima γs, y la deformación de corte directa admisible γmax.
(ver cuadro anterior
N° 3.6)
2)
Cálculo del
desplazamiento de diseño (DD), y el desplazamiento máximo (DM).
3) Estimación de un valor de
amortiguamiento (β). (ver cuadro anterior N° 3.6)
4) Definición de la forma de la
sección transversal (para nuestro caso es circular).
5) Establecer la tensión admisible de
compresión σAC (ver cuadro anterior N° 3.6)
6) Se determina el sistema de conexión
de los aisladores (este nuestro caso es de cohesión fija de pernos). (ver
cuadro anterior N° 3.6)
A continuación,
mostramos las consideramos el diagrama de flujo de diseño del aislador HDR, la
misma que se presenta en la figura 3.6.
III.
Discusión y análisis de resultados
3.1
Periodo
de Vibración de la Estructura Aislada y Base Fija
Para el primer modo de vibración que pertenece a la
dirección en X tenemos, la estructura con sistema de base aislada que tiene un
periodo de 2.093648seg con una participación del 81.62%, y para la estructura
de base fija el periodo es 0.321958 seg con una participación 14.05%; lo que
significa que la estructura del sistema de aislación amplifica en un noventa y
cuatro por ciento (85%); con un factor de amplificación que está dada por la
relación del periodo de base aislada entre el periodo de base fija que es
6.503, lo que significa que el sistema de base aislado a amplificado en por lo
menos en 7 veces. Por ende, comportándose la estructura como un cuerpo rígido
durante el periodo de vibración.
CUADRO N° 6. FACTOR DE AMPLIFICACION DEL PERIODO DE
VIBRACION
MODO |
PERIODO
DE BASE AISLADA |
PERIODO
DE BASE FIJA |
FACTOR
DE AMPLIFICACION (AØ) |
Amplificación
del sistema de aislación en % de Ø |
||
|
Periodo
de Vibración |
Participación
Modal |
Periodo
de Vibración |
Participación
Modal |
|||
|
(seg) |
(%) |
(seg) |
(%) |
AØ |
% |
|
|
1.00 |
2.093648 |
81.62 |
0.321958 |
14.05 |
6.503 |
85% |
|
2.00 |
2.080263 |
96.05 |
0.307806 |
39.79 |
6.758 |
85% |
|
3.00 |
1.998473 |
14.46 |
0.282713 |
53.01 |
7.069 |
86% |
FUENTE: Elaboración
Propia
3.2
Distorsión
de la Estructura Aislada y Base Fija
Del Análisis Espectral. - según la figura 5.1. El análisis de la distorsión
en la dirección X de la estructura aislada del quinto nivel es de 0.003640% y
0.003512% en la dirección Y; mientras que para la estructura de base fija la
distorsión en X es de 0.003288% para el quinto nivel y 0.004296% en la
dirección Y.
Del
Análisis Tiempo Historia. - según la figura 5.2. El
análisis de la distorsión en la dirección X de la estructura aislada del quinto
nivel es de 0.000424% y 0.000456% en la dirección Y; mientras que para la
estructura de base fija la distorsión en X es de 0.003160% para el quinto nivel
y 0.004400% en la dirección Y.
|
Figura
9.
Respuesta Comparativa Espectral de Distorsión en X e Y, (Estructura Aislado y
base Fija) |
Figura
10.
Respuesta Comparativa T.H. de Distorsión en X e Y, (Estructura Aislado y base
Fija) |
3.3
Desplazamiento
Relativo de la Estructura Aislada y Base Fija
Del Análisis Espectral. - El desplazamiento en la dirección X de la
estructura aislada del quinto nivel es de 0.7381cm y 0.7778cm en la dirección
Y; mientras que para la estructura de base fija el desplazamiento en X es de
0.6132cm para el quinto nivel y 0.7582cm en la dirección Y.
Del Análisis Tiempo historia. - El desplazamiento en la dirección X de la
estructura aislada del quinto nivel es de 0.08cm y en la dirección Y 0.10cm;
mientras que para la estructura de base fija el desplazamiento en X es de
1.033cm para el quinto nivel y 1.508cm en la dirección Y, pero siempre estos
valores de desplazamiento son insignificantes (valores muy pequeños), porque la
estructura es muy rígida en ambas direcciones.
|
Figura
11.
Respuesta Comparativa Espectral de Desplazamiento en X e Y, (Estructura
Aislado y base Fija) |
Figura 12. Respuesta
Comparativa T.H. de Desplazamiento en X e Y, (Estructura Aislado y base Fija) |
3.4
Aceleración Absoluta de la Estructura Aislada y Base
Fija
Del Análisis Espectral. - La aceleración para la
estructura aislada del quinto nivel en la dirección X es de 0.000724g y
0.000679g en la dirección Y; y para la estructura de base fija es de 0.03338g
en X y 0.032889g en la dirección Y.
Del Análisis Tiempo Historia. - La aceleración para la
estructura aislada del análisis T.H. del quinto nivel en la dirección X es de
0.023038g y 0.038226g en la dirección Y; y para la estructura de base fija es
de 0.295945g en X y 0.206636g en la dirección Y.
|
Figura 13. Respuesta Comparativa Espectral de
Aceleración Absoluta en X e Y, (Estructura Aislado y base Fija) |
Figura 14. Respuesta Comparativa T.H. de
Aceleración Absoluta en X e Y, (Estructura Aislado y base Fija) |
3.5
Corte Basal de la Estructura Aislada y Base Fija
Del Análisis Espectral.
- la estructura aislada el
corte en el quinto nivel es de 946.83tn en X y en la dirección Y de 967.80tn, y
para la estructura de base fija es de 214.48tn en la dirección X y 2231.31tn en
Y.
Del Análisis
Tiempo Historia. - para la estructura aislada en la dirección X el corte en el último
nivel es de 114.67tn y en la dirección Y de 133.53tn, y para la estructura de
base fija es de 1773.10tn en la dirección X y 2500.80tn en Y.
|
Figura 15. Respuesta Comparativa Espectral de
Corte Basal en X e Y, (Estructura Aislado y base Fija) |
Figura 16. Respuesta Comparativa T.H. de Corte
Basal en X e Y, (Estructura Aislado y base Fija) |
3.6
ANALISIS DEL
DISEÑO DE AISLADOR ELASTOMERICO DE ALTO AMORTIGUAMIENTO (HDR)
Para el modelo tridimensional de base aislada, se ha
utilizado el mismo modelo tridimensional de base fija con la única diferencia
que se han colocado 228 aisladores del tipo HDR, en el plano de la base de la
superestructura se ha colocado una losa con igual peso del techo del primer
nivel, se ha considerado la altura del aislador de 34cm. en el primer nivel
según diseño y predimensionamiento del mismo; se ha implementado un proceso
iterativo para el tipo de sistema de aislación en estudio (HDR), así mismo se
definió las características mecánicas y geométricas del dispositivo, se verificó
los niveles de seguridad adecuados, los cálculos de diseño bilineal para el
aislador y se implementó el ingreso de datos para el computador efectuado con
el programa Etabs Versión 10, el mismo que sirve para el modelamiento e
implementación de la estructura de base aislada, así como las propiedades de
NLLink; la definición del peso y la masa
del aislador no son necesarios porque estos se localizan en el interfaz de la
aislación ya que el objetivo es analizar la superestructura del edificio
tridimensional, ello no interfiriendo en el análisis de la superestructura; las
propiedades direccionales así como Dirección U1-Lineal (rigidez vertical del
aislador, propiedad en la dirección axial del aislador o localizada en la
dirección Z del sistema tridimensional del computador) se ingresa la rigidez
efectiva o rigidez efectiva vertical Kv=291779.14tn/m, el valor de amortiguamiento se ingresa valor
cero β=0% debido a que el programa ya lo considera los coeficientes de amortiguamientos
en los análisis sísmicos Espectrales y Tiempo Historia; en Dirección U2 y U3-No
Lineal ( propiedades en la dirección X e Y respectivamente del sistema
tridimensional) propiedad lineal Keff=212.91tn/m (rigidez efectiva);
propiedades No lineales Keff=212.91tn/m (rigidez), Fy=11.23tn (resistencia de
fluencia) y relación de rigidez posterior es KH/Kv=7.297E-04.
IV. Conclusiones
1. El desplazamiento del sistema de aislación HDR, que
ocurre en la interfaz del sistema de aislación en ningún caso se ha
superado el margen de desplazamiento, por ende, el sistema HDR es ideal ya que
se tiene todavía un margen de reserva para un desplazamiento eventual
mayor.
2. El resultado de comparación del desplazamiento para
el caso espectral máximo en la dirección X e Y par la estructura de Huaraz son
insignificantes por alcanzar resultados negativos en cuanto a su factor de
reducción, pero considerados valores muy inferiores.
3.
El control de las derivas
son las más importantes ya que están relacionados con los daños estructurales
de los modelos; las máximas derivas para las infraestructuras hospitalarias
ocurren en la dirección Y, el sistema porticado consecuentemente es muy rígida,
por ende, arrojan valores muy inferiores a 0.007 valor límite establecido por
la N.T.P. E.030 del año 2018.
4.
La capacidad del aislador
de fuerza cortante para la infraestructura Hospitalaria de Huaraz es de
Vb=7227.60tn, para la infraestructura de Carhuaz es de Vb=760.80tn; y para la
infraestructura hospitalaria de monterrey es de Vb=602.30tn.
5.
Finalmente, la aplicación
de aisladores sísmicos en modelos de edificaciones de hospitales influye
favorablemente en los modelos analizados reduciendo la robustes de los
elementos ello traduciéndose en costos de la edificación.
V.
Referencias
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ANÁLISIS SÍSMICO ESPACIAL DE ESTRUCTURAS CON AISLADORES ELASTOMÉRICOS APLICANDO
EL MODELO DE PAN Y KELLY.
Aguiar R. & Peña F.(2008).
COMPARACIÓN DE LA RESPUESTA SÍSMICA EN EL PLANO DE ESTRUCTURAS CON AISLADORES
DE BASE ELASTOMÉRICOS.
BLAS, J. (17 de NOVIEMBRE de 2009). MODELAMIENTO CON SISTEMA
DE AISLAMIENTO SISMICO EN INFRAESTRUCTURA EDUCATIVA. MODELAMIENTO CON
SISTEMA DE AISLAMIENTO SISMICO EN INFRAESTRUCTURA EDUCATIVA. HUARAZ,
HUARAZ, PERU.
Genatios & Lafuente (2016). Introducción al uso de
aisladores y disipadores en estructuras. Corporación Andina de Fomento.
Bueno R. & Reyes J.C. (2008) Criterios para el Uso
de Aisladores en la Base de una Estructura en Concreto
Bunge (1989). La investigación científica, su
estrategia y su filosofía. Edit. Ariel. Barcelona.
CHILENA, N. (2013). Analisis y Diseño
de Edificios con Aislacion Sismica. INSTITUTO NACIONAL DE NORMALIZACION,
106. Obtenido de Analisis y Diseño de Edificios con Aislacion Sismica.
CHOPRA.
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Engineering. United States of America: Greg Dulles.
GUARDIA
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Estructura. Estados Unidos.
Oviedo & Duque (2006). SISTEMAS
DE CONTROL DE RESPUESTA SÍSMICA
EN EDIFICACIONES, Revista EIA,
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Medellín (Colombia), en
https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/5557910.pd
Marshall
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http://scholarsmine.mst.edu/icchge/2icchge/2icchge-session4/3.
Naderzadeh
(2009). “Historical Aspects of Seismic
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http://www.cibw114.net/symposium2009/pdf/OS09_Ahmad_Naderzadeh.pdf
NTP. (2018). NORMA TECNICA E.030
"DISEÑO SISMORRESISTENTE". DECRETO SUPREMO QUE MODIFICA LA NORMA
TECNICA E.030.