ESTADO DEL ARTE EN PROTECCIN SSMICA

Javier ZEVALLOS (*), Marcial BLONDET (**), Alejandro MUOZ (**)(*) Egresado de la Facultad de Ciencias e Ingeniera de la Pontificia Universidad Catlica del Per.

(**) Profesor del Departamento de Ingeniera de la Pontificia Universidad Catlica del Per.

RESUMEN

En el presente artculo se hace un resumen comparativo del estado del arte en sistemas de

proteccin ssmica, con la finalidad de estudiar la posibilidad de implementar en el Per algunos de

los sistemas existentes. Se describen los principales sistemas de proteccin ssmica y los

dispositivos que emplean, se hace una breve resea de sus principales aplicaciones en el mundo, y

se evala cada sistema desde el punto de vista de su posible aplicacin en el Per. Adicionalmente

se realiza un estudio analtico que demuestra la eficiencia del aislamiento ssmico en edificaciones

representativas de nuestro medio.

INTRODUCCIN

Los sistemas de proteccin ssmica empleados en la actualidad comprenden desde relativamente

simples dispositivos de control pasivo hasta avanzados sistemas completamente activos. Los

sistemas pasivos son tal vez los ms conocidos e incluyen los sistemas de aislamiento ssmico y los

sistemas mecnicos de disipacin de energa. El aislamiento ssmico es el sistema ms desarrollado

de la familia, con continuos avances en dispositivos, aplicaciones y especificaciones de diseo.

(Ref. 1). Como se muestra en la Fig. 1, los sistemas de proteccin ssmica pueden ser clasificados

en cuatro categoras: sistemas pasivos, activos, hbridos y semi-activos.

AislamientoSsmico

Disipadores deEnerga

OsciladorResonante TMD

SISTEMAS PASIVOS

ArriostresActivos

TendonesActivos

OsciladorActivo AMD

SISTEMAS ACTIVOS

AislamientoActivo

OsciladorHbrido HMD

SISTEMAS HBRIDOS

Disipadores deOrificio Variable

Dispositivos deFriccin Variable

Disipadores Fluido Controlables

SISTEMAS SEMI-ACTIVOS

SISTEMAS DE PROTECCIN SSMICA

Fig. 1 Clasificacin de los Sistemas de Proteccin Ssmica.

SISTEMAS PASIVOS

Los sistemas de control pasivo emplean dispositivos bastante simples que reducen la respuesta

dinmica por medios totalmente mecnicos. Los sistemas pasivos ms comunes son los aisladores

ssmicos, los disipadores de energa y los osciladores resonantes (TMD). Cada sistema emplea

1

diferentes enfoques para el control de la respuesta estructural y son ms efectivos para diferentes

tipos de estructuras (Ref. 1).

Aisladores Ssmicos

El aislamiento ssmico es una estrategia de diseo basada en la premisa de que es posible separar

una estructura de los movimientos del suelo mediante la introduccin de elementos flexibles entre la

estructura y su fundacin. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural,

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

estructura con base fija (Ref. 2). Existen bsicamente dos tipos de sistemas de aislamiento: los

apoyos elastomricos y los apoyos deslizantes. Los apoyos elastomricos emplean un elastmero de

caucho natural o neopreno reforzado con finas lminas de acero. La notable flexibilidad lateral en el

elastmero permite el desplazamiento lateral de los extremos del aislador, mientras que las lminas

de refuerzo evitan el abultamiento del elastmero y le proporcionan una gran rigidez vertical.

Existen tres tipos de apoyos elastomricos ampliamente usados: apoyos de caucho natural (NRB,

Fig. 2), apoyos de caucho con ncleo de plomo (LRB), y apoyos de caucho de alta disipacin de

energa (HDR). Los apoyos deslizantes poseen una superficie de deslizamiento que permite la

disipacin de energa por medio de las fuerzas de rozamiento. Uno de los dispositivos ms

innovadores es el sistema pendular friccionante que combina la accin del deslizamiento con la

generacin de una fuerza restitutiva debido a la geometra del deslizador (Fig. 3).

Fig. 2 Aislador elastomrico de caucho natural (NRB). Fig. 3 Esquema del sistema pendular friccionante (FPS).

El aislamiento ssmico es un sistema ampliamente usado para la proteccin ssmica de diversos

tipos de estructuras. Numerosos estudios tericos, anlisis numricos y ensayos de laboratorio

demuestran el excelente comportamiento que puede lograr este sistema en la proteccin de

estructuras sometidas a eventos ssmicos moderados y severos. Adicionalmente, la efectividad de

este sistema fue evidenciada por los registros de la respuesta dinmica de los edificios con

aislamiento de base sacudidos por los sismos de Northridge en 1994 y Kobe en 1995.

2

Actualmente existen numerosas aplicaciones de sistemas de aislamiento de base en pases como

Japn, Estados Unidos, Nueva Zelanda e Italia. Estas aplicaciones corresponden principalmente a la

construccin de nuevos edificios y el mejoramiento ssmico de estructuras existentes. Uno de los

edificios en los que se demostr la factibilidad de los sistemas de aislamiento ssmico es el Fire

Command and Control Facility en Los Angeles. Este edificio es una central de emergencias que

debe permanecer en operacin incluso despus de un sismo extremo. Para su construccin se realiz

una comparacin entre los esquemas de diseo convencional y de aislamiento ssmico para proveer

el mismo grado de proteccin. En estos trminos se estim que el costo del edificio con aislamiento

ssmico era un 6% menor que el correspondiente al edificio con un diseo convencional (Ref. 2).

La prueba ms severa a la que fue sometido un edificio con aislamiento ssmico hasta la fecha

corresponde al hospital de docencia de la Universidad de Southern California. El edificio est

ubicado a 36 km del epicentro del terremoto de Northridge, ocurrido en 1994 con una magnitud de

6.8 MW. Durante el terremoto el terreno bajo el edificio alcanz una aceleracin mxima de 0.49 g,

mientras que las aceleraciones en el interior del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g. Esto

significa que la estructura fue aislada en forma efectiva de los movimientos del suelo, teniendo en

cuenta que estos movimientos fueron lo suficientemente intensos como para provocar daos

importantes en edificios adyacentes (Ref. 3).

A diferencia de las tcnicas convencionales de reforzamiento de edificios existentes, con el

aislamiento ssmico se busca reducir la demanda a niveles en los que la capacidad existente en la

estructura sea suficiente para resistir las cargas. Esta tcnica es particularmente apropiada para la

proteccin de edificios con valor histrico.

Disipadores de Energa

Los disipadores de energa son dispositivos diseados para absorber la mayora de la energa

ssmica, evitando as que sta sea disipada mediante deformaciones inelsticas en los elementos

estructurales. Pueden ser clasificados como histerticos o viscoelsticos.

Los disipadores histerticos incluyen los disipadores metlicos y los disipadores friccionantes, y

dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura. Los disipadores metlicos estn

basados en la fluencia de los metales debido a flexin, corte, torsin, o extrusin. Uno de los

dispositivos metlicos ms reconocidos es el ADAS, que est compuesto por placas de acero con

seccin transversal en forma de X (Fig. 4) instaladas en paralelo sobre los arriostres. Los

disipadores friccionantes son dispositivos que disipan la energa mediante las fuerzas de friccin

que se presentan por el desplazamiento relativo entre dos placas en contacto. Son diseados para

3

deslizar a una carga predeterminada, y permanecen inactivos mientras no existe una demanda

ssmica importante sobre el edificio (Ref. 4).

Los disipadores viscoelsticos incluyen los sistemas de slidos viscoelsticos, fluidos

viscoelsticos, y los disipadores fluido-viscosos. Los dispositivos viscoelsticos dependen

esencialmente de la velocidad (Ref. 1). Los disipadores viscoelsticos slidos estn constituidos

por una capa de material viscoelstico ubicada entre dos placas de acero, usualmente acopladas a

los arriostres que conectan los extremos del entrepiso. Los dispositivos viscoelsticos lquidos

disipan la energa por medio de las deformaciones inducidas por un pistn en una sustancia

altamente viscosa. Los disipadores fluido-viscosos (Fig. 5) son dispositivos que disipan energa

forzando el flujo de un fluido a travs de un orificio. Estos dispositivos son similares a los

amortiguadores de un automvil, pero operan con un mayor nivel de fuerzas y son fabricados con

materiales ms durables para lograr un mayor tiempo de vida til.

Fig. 4 Dispositivo ADAS, disposicin en paralelo. Fig. 5 Disipador fluido-viscoso.

Osciladores Resonantes

Un oscilador resonante (TMD) es un sistema de un grado de libertad constituido por una masa, un

elemento restitutivo y un mecanismo de disipacin de energa, usualmente montado en la parte

superior de la estructura. Para que el TMD pueda reducir la respuesta dinmica de una estructura

debe existir una coincidencia entre las frecuencias naturales de vibracin de la estructura y del

oscilador resonante (Ref. 4). Los osciladores resonantes son bastante efectivos en la reduccin de

las vibraciones producidas por el viento en edificios altos. Tambin puede ser empleados para la

reduccin de la respuesta ssmica.

SISTEMAS ACTIVOS

Estos sistemas son dispositivos que generan fuerzas de control para modificar la respuesta dinmica

de la estructura. Las fuerzas de control son aplicadas mediante actuadores integrados a un conjunto

de sensores, controladores y procesadores de informacin en tiempo real. La Fig. 6 describe

esquemticamente el proceso. Los sensores instalados en la estructura miden las excitaciones

4

externas y la respuesta dinmica de la estructura; los dispositivos de procesamiento en tiempo real

procesan la informacin proveniente de los sensores y calculan las fuerzas de control necesarias

para estabilizar la estructura; finalmente los actuadores generan las fuerzas necesarias para

contrarrestar los movimientos ssmicos (Ref. 5).

Fig. 6 Estructura con sistema de control activo.

EstructuraExcitacin Respuesta

Actuadores de Control

Controlador SensoresSensores

Las fuerzas de control pueden ser aplicadas a la estructura mediante una masa activa (AMD),

arriostres activos (ABS), o tendones activos. Los osciladores de masa activa (AMD) proporcionan

la forma ms simple y compacta de aplicar las fuerzas de control a una estructura. Los arriostres y

tendones activos requieren un diseo ms complicado y se encuentran actualmente en nivel

experimental.

El edificio Kyobashi Seiwa (Fig. 7) es la primera aplicacin a escala natural de la tecnologa del

control activo. Este edificio ubicado en Tokio, Japn, se termin de construir en 1989. El sistema

activo est conformado por dos osciladores AMD, uno principal para controlar el movimiento

transversal, y otro secundario para reducir los movimientos torsionales. El objetivo del sistema

instalado en el edificio es reducir las vibraciones producidas por vientos fuertes y solicitaciones

ssmicas moderadas, con el fin de incrementar el confort de sus ocupantes (Ref. 5).

Fig. 7 Kyobashi Seiwa Building, Tokyo. Edificio e instalacin del sistema activo

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SISTEMAS HBRIDOS

Los sistemas hbridos emplean una combinacin de dispositivos pasivos y activos con el fin de

incrementar la confiabilidad y eficiencia del control estructural. Algunas de las restricciones que

presenta un sistema completamente activo pueden ser superadas por los sistemas de control hbrido

debido a que estos operan mltiples dispositivos de control, logrando mayores niveles de

rendimiento (Ref. 6). Las investigaciones en el campo de los sistemas de control hbrido han sido

enfocadas principalmente en dos tipos de sistemas: osciladores hbridos (HMD) y aislamiento

activo. Todos los sistemas hbridos funcionan segn la configuracin mostrada en el esquema

mostrado en la Fig. 8.

Fig. 8 Estructura con sistema de control hbrido.

EstructuraExcitacin Respuesta

Sensores Controlador Sensores

Actuadores de Control

PED

El oscilador hbrido HMD (Hybrid Mass Damper) es el resultado de la combinacin de un oscilador

resonante (TMD) y un actuador de control activo. La capacidad de este dispositivo para reducir la

respuesta estructural radica principalmente en el movimiento natural del oscilador resonante. Las

fuerzas de control generadas por el actuador son empleadas slo para mejorar el desempeo del

oscilador resonante, incrementando la eficiencia del sistema y permitiendo su adaptabilidad a los

cambios en las caractersticas dinmicas de la estructura.

Diversos investigadores han realizado importantes contribuciones para lograr osciladores hbridos

ms compactos, eficientes y fciles de implementar. El sistema TRIGON, por ejemplo, est

constituido por un oscilador en forma de V con periodo fundamental ajustable. Este sistema est

diseado para controlar la respuesta estructural producida por vientos fuertes y sismos moderados.

Cuando las solicitaciones son leves el actuador se mantiene inactivo y el sistema se comporta como

un TMD. Otro sistema conocido como HMD pendular multi-nivel (multi-step pendulum HMD)

requiere de un menor espacio para su instalacin y ha sido empleado en muchas estructuras,

incluyendo el edificio ms grande del Japn: la torre Landmark en Yokohama (Ref. 6).

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SISTEMAS SEMI-ACTIVOS

Los sistemas semi-activos no aplican fuerzas de control en el sistema estructural, pero poseen

propiedades variables que pueden ser controladas para reducir ptimamente la respuesta del sistema

estructural. La Fig. 9 muestra la configuracin de estos sistemas.

Fig. 9 Estructura con sistema de control semi-activo.

EstructuraExcitacin Respuesta

Sensores Controlador Sensores

Actuadores de Control

PED

La atencin recibida por estos sistemas en los ltimos aos puede ser atribuida al hecho de que los

dispositivos de control semi-activo ofrecen la adaptabilidad de los sistemas de control activo sin la

demanda de grandes fuentes de energa. (Ref. 6)

APLICACIN DE SISTEMAS DE PROTECCIN SSMICA EN EL PER

Las perspectivas para la aplicacin de los sistemas de proteccin ssmica en nuestro pas estn

enfocadas principalmente en los sistemas de control pasivo como el aislamiento ssmico y los

disipadores de energa fluido-viscosos. Estos sistemas son compatibles con la configuracin

estructural de las edificaciones peruanas y emplean dispositivos simples y econmicos. Las

aplicaciones de los sistemas de aislamiento ssmico deberan orientarse a la reduccin del riesgo

ssmico de edificaciones esenciales como hospitales y centrales nucleares, mientras que los

disipadores de energa fluido-viscosos podran ser particularmente convenientes para el

mejoramiento ssmico de edificios vulnerables.

DISEO PRELIMINAR DE UN EDIFICIO PERUANO CON AISLAMIENTO SSMICO

Con la finalidad de evaluar las perspectivas del aislamiento ssmico en nuestro pas, se realiz un

estudio analtico en el que se evalu el nivel de reduccin en la respuesta estructural obtenido en

una edificacin con caractersticas estructurales representativas de nuestro medio.

La estructura elegida tiene 7 pisos y presenta una configuracin irregular en elevacin, con un

primer nivel bastante amplio y una torre que alcanza los 21.5 m de altura. El sistema estructural est

compuesto de prticos y placas de concreto armado.

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El sistema de aislamiento ssmico propuesto est compuesto por dos tipos de aisladores

elastomricos de caucho de alta disipacin de energa (HDR). Las caractersticas de los aisladores

son descritas en la Tabla 1, y su distribucin es mostrada en la Fig. 10.

Tabla 1 Dimensiones de los Aisladores

Tipo de Aislador A B

Carga de diseo (kN) 1000 2000

Nmero de Aisladores 20 17

Dimetro del Aislador (mm) 600 600

Altura total del Aislador (mm) 272 272

Nmero de capas de caucho 12 12

Espesor de las capas de caucho (mm) 16.67 16.67

Nmero de lminas de acero 11 11

Espesor de las lminas de acero (mm) 2.00 2.00

Fig. 10 Caractersticas del edificio. Ubicacin de los aisladores en la base del edificio.

Dimensiones en metros

Se realiz un anlisis dinmico del edificio primero con base fija y luego con la base aislada. Se

utiliz el programa SAP 2000 Nonlinear. Se emple el espectro inelstico de pseudo-aceleraciones

definido en la Norma Peruana de Diseo Sismorresistente, considerando al edificio como una

edificacin esencial en Lima sobre suelo bueno. Los resultados de este anlisis son mostrados en la

Tabla 2.

Una primera inspeccin de los resultados obtenidos permite apreciar que el principal efecto del

aislamiento ssmico en el comportamiento dinmico de la estructura es el notable incremento en el

periodo fundamental de vibracin. Este incremento es una consecuencia de la flexibilidad impuesta

8

por los aisladores en el sistema estructural. A pesar de la marcada diferencia que existe entre los

periodos fundamentales de vibracin correspondientes a las dos direcciones del edificio con base

fija, no existe una diferencia significativa entre los periodos correspondientes al edificio con

aislamiento ssmico. El comportamiento de la estructura con aislamiento ssmico es, por lo tanto,

controlado principalmente por los aisladores, y no por la configuracin estructural de la

superestructura. Aunque el desplazamiento ssmico del edificio aislado es bastante grande, la mayor

parte de este desplazamiento se concentra en el sistema de aislamiento, a travs de las

deformaciones laterales de los aisladores.

Tabla 2 Resultados del anlisis por superposicin espectral

SISMO X-X SISMO Y-Y

Base Fija

Aislam. Ssmico

% Reduccin

Base Fija

Aislam. Ssmico

% Reduccin

Periodo Fundamental (seg) 0.822 2.064 ----- 0.449 1.998 -----Cortante Basal (kN) 13,600 6,450 53 22,500 6,740 70Momento Volcante (kN-m) 166,000 63,600 62 318,000 62,700 80Momento Torsor (kN-m) 143,000 67,700 53 169,000 50,500 70Mx. Desplazamiento relativo a la Base (mm) 141.88 58.04 59 87.06 29.98 66Mximo Desplazamiento de Entrepiso (mm) 24.55 9.90 60 14.82 4.53 69Mxima Distorsin Angular de Entrepiso 0.00818 0.00330 60 0.00494 0.00151 69Distorsin Angular Promedio 0.00660 0.00270 59 0.00405 0.00139 66

Al examinar el nivel de reduccin en la respuesta ssmica, se observa que la fuerza cortante en la

base de la estructura se reduce en un 50% en la direccin X-X, y en un 70% en la direccin Y-Y.

De esta manera se demuestra que el aislamiento ssmico es una tecnologa eficiente e innovadora

que debera ser empleada en nuestro pas para la proteccin ssmica de estructuras esenciales frente

a solicitaciones severas.

El sistema de aislamiento reduce las fuerzas y desplazamientos relativos en la estructura a menos de

la mitad de los efectos correspondientes en la estructura con base fija. Estos resultados son

particularmente alentadores y mejoran las perspectivas para la aplicacin de algunos sistemas de

proteccin ssmica en nuestro pas en un futuro no muy lejano.

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REFERENCIAS

1. Buckle, I.G., Passive Control of Structures for Seismic Loads, Auckland, New Zealand,

2000.

2. Farzard, N., Kelly, J.M., Design of Seismic Isolated Structures from Theory to Practice,

John Wiley & Sons, USA, 1999.

3. Kelly, J.M., Base Isolation: Origins and Development, National Information Service for

Earthquake Engineering, University of California, Berkeley, USA.

4. Soong, T.T., Dargush, G., Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering,

John Wiley & Sons, USA, 1997.

5. Soong, T.T., Spencer Jr., B.F., Active, Semi-Active and Hybrid Control of Structures,

Auckland, New Zealand, 2000.

6. Spencer Jr., B.F., Sain, M.K., Controlling Buildings: A New Frontier in Feedback, USA,

1997.

7. CSI, SAP 2000 Integrated Finite Element Analysis and Design of Structures: Analysis

Reference Vol. 1, Berkeley, California, USA, 2000.

8. Clough, R., Dynamics os Structures, McGraw-Hill, USA, 1993.

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Clasificacin de los Sistemas de Proteccin Ssmica.SISTEMAS PASIVOSAisladores SsmicosAislador elastomrico de caucho natural (NRB).Esquema del sistema pendular friccionante (FPS).

Disipadores de EnergaDispositivo ADAS, disposicin en paralelo.Disipador fluido-viscoso.

Osciladores Resonantes

SISTEMAS ACTIVOSEstructura con sistema de control activo.Kyobashi Seiwa Building, Tokyo. Edificio e instalacin del s

SISTEMAS HBRIDOSEstructura con sistema de control hbrido.SISTEMAS SEMI-ACTIVOSEstructura con sistema de control semi-activo.Dimensiones de los AisladoresCaractersticas del edificio. Ubicacin de los aisladores enResultados del anlisis por superposicin espectral

REFERENCIAS