PROTECCION SISMICA (Sistema de Aislacion Sismica y Disipacion de Energia)

CONCEPTOS GENERALES

se describen algunas de las aplicaciones típicas de lasdistintas alternativas de protección sísmica de estructuras

Sistemas de Proteccion Sismica

Los sistemas de protección sísmica de estructuras utilizadosen la actualidad incluyen diseños relativamente simples hasta avanzados sistemas totalmente automatizados. Los sistemas de protección sísmica se pueden clasificar en tres categorías: Sistemas activos, sistemas semi-activos y sistemas pasivos. El presente documento se concentra fundamentalmente en los sistemas pasivos de protección sísmica.

Sistemas Activos

Los sistemas activos de protección sísmica son sistemas
complejos que incluyen sensores de movimiento, sistemas de control y procesamiento de datos, y actuadores dinámicos.

Sistemas Semi-activos

Los sistemas semi-activos de protección sísmica, al igual SM Señales de monitoreo Actuador que los activos, cuentan con un mecanismo de monitoreo en tiempo real de la respuesta estructural. Sin embargo, a diferencia de los sistemas activos no aplican fuerzas de control directamente sobre la estructura.
Los sistemas semi-activos actúan modificando, en tiempo real, las propiedades mecánicas de los dispositivos de disipación de energía.
Ejemplos de estos sistemas son los amortiguadores de masa semiactivos, los dispositivos de fricción con fricción controlable, y los disipadores con fluidos electro-o magneto-reológicos.

Sistemas Pasivos

Los sistemas pasivos son los dispositivos de protección sísmica más comúnmente utilizados en la actualidad. A esta categoría corresponden los sistemas de aislación sísmica de base y los disipadores de energía. Los sistemas pasivos permiten reducir la respuesta dinámica de las estructuras a través de sistemas mecánicos especialmente diseñados para disipar energía por medio de calor.

Disipacion de energia

Los disipadores de energía, a diferencia de los aisladores sísmicos, no evitan que las fuerzas y movimientos sísmicos se transfieran desde el suelo a la estructura. Estos dispositivos son diseñados para disipar la energía entregada por sismos, fenómenos de viento fuerte u otras solicitaciones de origen dinámico, protegiendo y reduciendo los daños en elementos estructurales y no estructurales.

Estos dispositivos permiten aumentar el nivel de amortiguamiento de la estructura.

Aislacion sismica

El diseño de estructuras con aislación sísmica se fundamenta en el principio de separar la superestructura (componentes del edificio ubicados por sobre la interfaz de aislación) de los movimientos del suelo o de la subestructura, a través de elementos flexibles en la dirección horizontal, generalmente ubicados entre la estructura y su fundación o a nivel del cielo del subterráneo (subestructura). Sin embargo, existen casos donde se han colocado aisladores en pisos superiores.

SISTEMA DE AISLACION SISMICA

Alternativas de Procteccion

La aislación sísmica de base es el procedimiento más eficiente para la protección sísmica de estructuras relativamente bajas o rígidas. Los aisladores sísmicos más desarrollados y utilizados en la actualidad son los aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (con o sin núcleo de plomo) y los deslizantes o friccionales. A continuación se detallan brevemente las características generales de los distintos sistemas de aislación sísmica.

Aisladores elastomericos

Los aisladores elastoméricos están conformados por un conjunto de láminas planas de elastómeros intercaladas con capas de acero. Las láminas de elastómeros son vulcanizadas a las capas de acero y, por lo general, presentan una sección circular o cuadrada. Mediante esta configuración se logra la flexibilidad lateral necesaria para permitir el desplazamiento horizontal relativo entre la estructura aislada y el suelo.La rigidez vertical del sistema es comparable con la rigidez vertical de una columna de hormigón armado.El comportamiento de los aisladores elastoméricos depende de la amplitud de la deformación a la que son sometidos y, en menor grado, de la temperatura, el envejecimiento y la frecuencia del movimiento. Existen varios tipos de apoyos elastoméricos, entre ellos se encuentran los apoyos de goma natural (NRB, Natural Rubber Bearing), los apoyos de goma de bajo amortiguamiento (LDRB, Low-Damping Rubber Bearing) y alto amortiguamiento (HDRB,High-Damping Rubber Bearing), y los apoyos de goma con núcleo de plomo (LRB, Lead-plugRubber Bearing).

Aisladores elastoméricos de bajo
amortiguamiento (LDRB)

Este tipo de dispositivos son los más simples dentro de los aisladores elastoméricos.
Los aisladores tipo LDRB presentan bajo amortiguamiento (2-5% como máximo), por lo que generalmente se utilizan en conjunto disipadores de energía que proveen amortiguamiento
adicional al sistema.Estos dispositivos presentan la ventaja de ser fáciles de fabricar.

Aisladores elastoméricos con núcleo
de plomo (LRB)

Los aisladores con núcleo de plomo (LRB) son aisladores elastoméricos similares a los LDRB, pero poseen un núcleo de plomo, ubicado en el del aislador, que permiten el nivel de amortiguamiento del sistema hasta niveles cercanos al 25-30%. Al deformarse lateralmente el aislador durante la acción de un sismo, el núcleo de plomo fluye, incurriendo en deformaciones plásticas, y disipando energía en forma de calor.

Aisladores elastoméricos de alto
amortiguamiento (HDRB)

Los aisladores tipo HDRB presentan mayor sensibilidad a cambios de temperatura y frecuencia que los aisladores tipo LDRB y LRB. A su vez, los aisladores HDRB presentan una mayor rigidez para los primeros ciclos de carga, que generalmente se estabiliza luego del tercer ciclo de carga. Estos dispositivos, al igual que los dispositivos tipo LRB, combinan la flexibilidad y disipación de energía en un soloelemento, con la característica de ser,relativamente, de fácil fabricación.

Los HDRB son aisladores elastoméricos cuyas láminas de elastómeros son fabricados adicionando elementos como carbón, aceites y resinas, con el fin de aumentar el amortiguamiento de la goma hasta niveles cercanos al 10-15%.

aislaDorEs DEslizanTEs

Los aisladores deslizantes o también llamados deslizadores friccionales utilizan una superficie de deslizamiento, típicamente de acero inoxidable, sobre la que desliza una placa de acero revestida de Politetra Fluoro Etileno (PTFE), sobre la que se soporta la estructura.La superficie de deslizamiento permite el movimiento horizontal de la estructura de maneraindependiente del suelo. Este sistema de aislación sísmica permite disipar energía por medio de las fuerzas de rozamiento que se generan durante unnsismo.

Apoyos deslizantes planos

Poseen, generalmente, una capa de un material estastomérico con el finde facilitar el movimiento del deslizador en caso de sismos. Por lo general, las superficiesdeslizantes son de acero inoxidable pulida espejo, y de un material polimérico de baja fricción. Este tipo de aislación puede requerir de disipadores de energía adicionales. A fin de prevenir deformaciones residuales luego de un evento sísmico, se debe proveer de sistemas restitutivos (típicamente aisladores elastoméricos o con núcleo de plomo) que restituyan la estructura a su posición original.

Los apoyos deslizantes planos son los aisladores deslizantes más simples. Consisten básicamente en dos superficies, una adherida a la estructura y la otra a la fundación, que poseen un bajo coeficiente de roce, permitiendo los movimientos horizontales y resistir las
cargas verticales.

Péndulos friccionales
(FPS, Friction Pendulum System)c

Los péndulos friccionales cuentan con un deslizador articulado ubicado sobre una superficie cóncava. Los FPS, a diferencia de los apoyos deslizantes planos, cuentan con la característica y ventaja de ser autocentrantes. Luego de un movimiento sísmico, la estructura regresa a su posición inicial gracias a la geometría de la superficie y a la fuerza inducida por la gravedad.

Aspectos Arquitectonicos

Los aisladores sísmicos generan una interfaz donde, en
caso de sismos, se produce un gran desplazamiento horizontal
relativo entre la estructura aislada y la no aislada o el suelo.

Los aisladores sísmicos deben ser instalados en puntos
de la estructura donde puedan ser inspeccionados y donde
se les pueda dar mantención en el caso que se requiera.
Por requerimiento normativo, los aisladores sísmicos deben
ser susceptibles de reemplazo.
Se debe tomar las precauciones en el diseño arquitectónico para que esto sea actible.

Se recomienda considerar el uso de dispositivos de aislación
sísmica desde las etapas iniciales del proyecto, a fin
de mitigar el impacto de su incorporación en la arquitectura.

Beneficios y Limitaciones de uso

BENEFICIO:

Los dispositivos de aislación sísmica actúan como filtro del movimiento sísmico, evitando que gran parte de la energía sísmica se traspase a la estructura aislada, reduciendo los esfuerzos y por lo tanto, el daño producido a elementos estructurales, no estructurales y contenidos de los edificios.

LIMITACION DE USO:

Algunos tipos de aisladores, como el caso de los aisladores deslizantes, requieren ser revisados
luego de sismos excepcionalmente severos.

Debido al desplazamiento relativo entre la estructura aislada y el suelo u otras estructuras no aisladas, todas las especialidades involucradas en un proyecto, y que se puedan ver afectadas por el desplazamiento de la estructura aislada, deben realizar diseños especiales de sus sistemas a fin de acomodar los desplazamientos esperados para el sistema de aislación.

Requisitos Normativos

La norma NCh2745.Of2003 rige el diseño de estructuras con aislación sísmica de base.
La filosofía de esta norma es limitar el daño estructural y de contenidos en caso de sismos severos. Sin embargo, las disposiciones de la norma NCh433 siguen siendo obligatorias en tanto no contradigan las disposiciones de la norma NCh2745.

Consideraciones para la Evaluación Económica

COSTOS:

• Costo de los dispositivos.

- Costos del proyecto de aislación.
- Costos de fabricación y ensayo de prototipos y aisladores de obra.
- Costos de instalación.
-Costos directos (insertos,anclajes, etc.) y gastos generales por aumento de plazos.
-Costo de protección al fuego de los dispositivos(en caso que se requiera).
-Costo del sistema de conectores flexibles en las instalaciones y juntas de dilatación.
-Costo del diafragma adicional requerido por sobre el nivel de aislación y columnas de gran dimensión o envigados por debajo del sistema de aislación.
-Costos de la súper y subestructuras requeridas para alcanzar objetivos de desempeño compatibles con los provistos por el sistema de aislación.
• Costos de mantención e inspección.
• Costo de proveer un espacio físico adicional para la instalación de los aisladores.

BENEFICIOS:

• Beneficio de mantener la estructura operativa durante e inmediatamente después de ocurrido un sismo.
• Disminución de los costos de reparación de daños, luego de eventos sísmicos severos, dado que se reducen:
- Daños de componentes y sistemas no estructurales.
- Daños estructurales.
• Menores daños de contenidos de recintos.
• Beneficio para el mandante en reputación de marca. Ayuda a vender mejor los atributos del producto.
• Percepción de mayor seguridad por parte del usuario.

INTRODUCCION

Condicion Sismica Nacional

A nivel mundial, el Perú es uno de los países de mayor potencial sísmico debido a que forma parte del denominado Cinturón de Fuego del Pacífico, región donde la Tierra libera más del 85% de la energía acumulada en su interior debido a los procesos de convección del manto.

Principales Rasgos Tectónicos -- La Fosa Oceánica Perú-Chile.
- La Dorsal de Nazca.
- La porción hundida de la costa norte de la Península de Paracas, asociada con un zócalo continental más ancho.
- La Cadena de los Andes.
- Las unidades de deformación y sus intrusiones magmáticas asociadas.
- Sistemas regionales de fallas normales e inversas y de sobre escurrimientos.

SISTEMAS PASIVOS DE DISIPACION DE ENERGIAS

Alternativas de Proteccion

Los sistemas pasivos de disipación de energía pueden ser clasificados en cuatro categorías, según sean estos activados por desplazamientos, velocidades, por una combinación de desplazamientos y velocidades, o por movimiento (fuerzas inerciales). A continuación se detalla brevemente las características generales de cada una de estas categoríasde disipadores de energía.

Disipadores activados por dezplazamientos

Disipadores metalicos

Estos dispositivos disipan energía por medio de la fluencia de metales sometidos a esfuerzos de flexión, corte, torsión, o una combinación de ellos. Los disipadores metálicos presentan, en general, un comportamiento predecible, estable, y confiable a largo plazo.

En general, estos dispositivos poseen buena resistencia ante factores ambientales y temperatura.

Disipadores friccionales

Estos dispositivos disipan energía por medio de la fricción que se produce durante el desplazamiento relativo entre dos o más superficies en contacto. Estos disipadores son diseñados para activarse una vez que se alcanza un determinado nivel de carga en el dispositivo.

Mientras la solicitación no alcance dicha carga, el mecanismo de disipación se mantiene inactivo.

disipadores de extrusion de materiales

Estos dispositivos basan su comportamiento en la extrusión de materiales (típicamente plomo) a través de perforaciones. En esta categoría se encuentran las diagonales de pandeo restringido o BRB’s (por sus siglas en inglés para Buckling Restrained Braces).

Estos elementos permiten añadir, simultáneamente, rigidez y amortiguamiento a las estructuras. Los disipadores de extrusión son durables en el tiempo, sin verse afectados mayormente por el número de ciclos de carga o efectos climáticos.

La desventaja de estos dispositivos se encuentra en que pueden aumentar la probabilidad de observar deformaciones residuales al término del sismo.

Disipadores autocentrantes

En Algunos disipadores autocentrantes pueden ser fabricados utilizando materiales con memoria de forma o SMA (por sus siglas en inglés para Shape Memory Alloys). Estos dispositivos utilizan las propiedades de los elementos que los componen, por ejemplo acero, y de la geometría de su configuración para disipar energía y, una vez finalizada la carga, regresar a su posición inicial.

stos dispositivos basan su comportamiento en los ciclos histeréticos que se producen en conexiones o elementos pretensionados. De esta forma, los disipadores autocentrantes permiten controlar gran parte de los desplazamientos residuales de la estructura luego de un terremoto.

DisipaDorEs aCTivaDos por vEloCiDaD

Los disipadores de esta categoría se activan a partir de las velocidades relativas de los extremos del dispositivo, inducidos por los movimientos de la estructura durante un sismo.Estos sistemas, típicamente añaden amortiguamiento a las estructuras, sin afectar su rigidezlateral.Estos disipadores, en general, permiten brindar protección a las estructuras durante sismos de baja, mediana y gran intensidad.

Dispositivos fluido-viscosos

Este tipo de dispositivo disipa energía forzando un fluido altamente viscoso a pasar a través de orificios con diámetros, longitudes e inclinación especialmente determinados para controlar el paso del fluido.Estos dispositivos son similares a los amortiguadores de un automóvil, pero con capacidades para resistir las fuerzas inducidas por terremotos.

Muros viscosos

Los muros viscosos están compuestos por una placa que se mueve en un fluido altamente viscoso depositado al interior de un molde de acero (muro).El comportamiento de estos dispositivos depende principalmente de la frecuencia y amplitudde la carga, número de ciclos, y temperatura de trabajo.

DisipaDorEs aCTivaDos
por DEsplazaMiEnTo y vEloCiDaD

Los disipadores de esta categoría se activan a partir de la acción combinada de los desplazamientos y velocidades relativas de los extremos del dispositivo, inducidos por losmovimientos de la estructura producidos durante un terremoto. Estos sistemas, típicamente añaden, simultáneamente, amortiguamiento y rigidez a las estructuras.

Dispositivos viscoelásticos sólidos

Estos dispositivos están formados por material viscoelástico ubicado entre placas de acero. Disipan energía a través de la deformación del material viscoelástico producida por el desplazamiento relativo de las placas. Estos dispositivos se ubican generalmente acoplados enarriostres que conectan distintos pisos de la estructura. El comportamiento de los amortiguadores viscoelásticos sólidos puede variar según la frecuencia y amplitud del movimiento, del número de ciclos de carga, y de la temperatura de trabajo.

DisposiTivos aCTivaDos por MoviMiEnTo

Un AMS es un sistema constituido por una masa, elementos restitutivos, y mecanismos de disipación de energía. Este tipo de dispositivo utiliza el acoplamiento entre las frecuenciasnaturales de vibración de la estructura y del oscilador resonante para reducir la respuesta dinámica de la estructura. los osciladores resonantes son generalmente utilizados en edificios de gran altura para reducir las vibraciones inducidas por el viento, sin embargo, también existen aplicaciones para mejorar el comportamiento de estructuras ante eventos sísmicos

Esta categoría de sistemas de protección sísmica incluye los osciladores resonantes o Amortiguadores de Masa Sintonizada (AMS). Estos sistemas, que generalmente se montan en la parte superior de las estructuras, son activados por las fuerzas inerciales transmitidas por la estructura.

Aspectos Arquitectonicos

Los disipadores de energía se encuentran disponibles en gran variedad de tamaños. Los disipadores viscosos, viscoelásticos, o friccionales pueden estar ocultos dentro demuros o tabiques. Los amortiguadores de masa sintonizada por su parte, que típicamente se colocan a nivel de techo de las estructuras, requieren de recintos de mayor tamaño especialmente habilitados para ellos, dimensionados considerando los desplazamientos máximos de los dispositivos en caso de sismo severo. Los disipadores de energía, independientemente de su tipología, deben ser instalados en puntos de la estructura donde puedan ser inspeccionados con posterioridad a sismos severos, y donde se les pueda darmantención en los casos en que se requiera.En todas las estructuras donde se utilizan dispositivos de disipación de energía, se recomiendaconsiderar su uso desde las etapas iniciales del proyecto, a fin de mitigar el impacto en arquitectura de su incorporación.

Los aspectos arquitectónicos dependen del tipo de disipador de energía que se instale en la estructura.
En general, los dispositivos de disipación se distribuyen en toda la altura de las estructuras, para tomar ventaja de las deformaciones y velocidades de entrepiso a que se ven sometidas las estructuras durante eventos sísmicos. En estructuras donde las deformaciones y velocidades de entrepiso son bajas, es común utilizar dispositivos que abarcan dos, tres e incluso más pisos.Del mismo modo, los dispositivos suelen colocarse en puntos alejados de los centros de gravedad de las plantas del edificio, típicamente fachadas, a fin de mitigar efectos de torsión en las estructuras.

Beneficios y Limitaciones de uso

Los dispositivos de disipación de energía aumentan el nivel de amortiguamiento de las estructuras, reduciendo los esfuerzos y deformaciones en ellas y sus contenidos. Los esfuerzos, aceleraciones y deformaciones inducidos por un sismo en una estructura con sistemas de disipación de energía, pueden ser entre un 15 a 40% menor que los correspondientes a una estructura sin disipadores, logrando reducir el daño producido a elementos estructurales y no estructurales.

Limitaciones de uso: algunos tipos de disipadores pueden
requerir ser reemplazados parcial o totalmente luego de sismos excepcionalmente severos.Del mismo modo, algunos tipos de disipadores, que si bien reducen las demandas en la
estructura,pueden incrementar la probabilidad de que se produzcan deformaciones residuales permanentes en las estructuras.

Requisitos Normativos

La normativa chilena para el diseño sísmico de estructuras con sistemas pasivos disipación de energía se encuentra en desarrollo al momento de redacción de este documento (ASCE 7).

Consideraciones para la Evaluacion economica

COSTOS:

• Costo de los dispositivos.
-Costos de proyecto.
-Costo de instalación. Costos directos y gastos generales.
-Costo de ensayos y certificación.
-Costos de los refuerzos locales de la estructura requeridos para la instalación de disipadores.
En algunos casos el costo de los dispositivos puede ser menor al de los elementos de sujeción del dispositivo a la estructura.
-Costos generales por aumento de plazos.
• Costos de mantención y/o reposición.
• Costo de posibles recintos que dejan de utilizarse para instalar los disipadores.

BENEFICIOS:

• Beneficio de reducción de daños durante sismos severos.
• Disminución de los costos de reparación de daños, luego
de eventos sísmicos, dado que se reducen:
- Daños estructurales.
- Daños de componentes y sistemas no estructurales.
• Menores daños de contenidos de recintos.
• Beneficio para el mandante en reputación de marca. Ayuda a vender mejor los atributos del producto.
• Percepción de mayor seguridad del usuario.
• Posibilidad de reducción de costos de estructura, condicionado a la normativa de diseño sísmico vigente.