Simulacin Sismica de Albailera

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    04-Jan-2016

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Ensayo simulacion sismica de albailera

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  • PROYECTO PARA EL ENSAYO DE SIMULACIN SSMICA DE UNA ESTRUCTURA

    DE ALBAILERA CON AISLAMIENTO DE BASE

    Claudia Guardia Y.*, Csar Sotelo A.*

    Marcial Blondet S.**, Luis Zegarra C.**, Alejando Muoz P.**

    * Egresado de la Pontificia Universidad Catlica del Per.

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

    RESUMEN

    El presente proyecto tiene por objetivo disear un ensayo en mesa vibradora para demostrar la

    efectividad del aislamiento de base para la proteccin ssmica de estructuras de albailera. Se hizo

    un estudio terico del comportamiento de una estructura de albailera con aislamiento de base

    sometida a una secuencia de sismos y se compar luego este comportamiento con el que presenta el

    espcimen con base fija sometido a la misma serie de excitaciones ssmicas. Se consigui

    demostrar analticamente la efectividad del sistema de aislamiento de base y la factibilidad del

    ensayo experimental.

    INTRODUCCIN

    El diseo convencional de sistemas sismorresistentes en lugares de alta sismicidad est basado en la

    eleccin de un adecuado sistema estructural y en el uso de materiales tradicionales, de modo de

    proporcionar al edificio rigidez, resistencia y ductilidad adecuadas. Si bien es cierto que estos

    aspectos son importantes para el buen comportamiento de la estructura frente a los eventos

    ssmicos, muchas veces el diseo convencional no es suficiente para proteger adecuadamente a las

    estructuras. El aislamiento ssmico surge como una alternativa interesante, sobre la base del

    concepto de reducir la demanda ssmica, ms que incrementar la capacidad resistente de las

    estructuras.

    El sistema de aislamiento ssmico desacopla a la estructura de la componente horizontal del

    movimiento por medio de una interfase entre la estructura y la cimentacin, compuesta por

    elementos con poca rigidez lateral. Esto provee a la estructura de una frecuencia fundamental menor

    que la frecuencia natural de la estructura original y que la frecuencia predominante del suelo,

    siempre que el suelo sea rgido. El primer modo de la estructura involucra deformaciones slo en el

    sistema de aislamiento; los modos ms altos no influyen de manera significativa en el movimiento,

    y por lo tanto, la energa del sismo prcticamente no se trasmite a la estructura.

    1

  • OBJETIVO

    Este estudio es parte de un proyecto de cooperacin tcnica entre la Pontificia Universidad Catlica

    del Per y la Pontificia Universidad Catlica de Chile, cuyo fin es desarrollar y promover la

    utilizacin correcta de los sistemas de aislamiento de base con caucho natural para la proteccin

    ssmica a escala sudamericana.

    El objetivo del estudio es hacer una prediccin analtica del comportamiento de un espcimen de

    albailera con base aislada y sin aislar sometido a excitaciones ssmicas severas. Se pretende

    verificar tericamente la capacidad del sistema de proteccin ssmica de aisladores de caucho

    natural y la factibilidad de realizar un ensayo de simulacin ssmica en mesa vibradora. La

    verificacin experimental de este estudio es parte de un proyecto posterior.

    ANTECEDENTES

    Debido a que un edificio convencional est cimentado sobre el suelo, al producirse un sismo severo

    la fuerza del sismo se trasmite directamente al edificio, pudiendo ocasionar daos estructurales y no

    estructurales cuantiosos e irreparables, y hasta prdidas de vidas humanas. Un edificio con un

    sistema de aislamiento ssmico est soportado por una serie de aisladores. Al insertar esta interfase

    flexible al nivel de la cimentacin, cuando se produce un sismo la estructura se desacopla del

    movimiento del suelo, los desplazamientos se concentran en el nivel de los aisladores y se minimiza

    la deformacin de la estructura. La figura 1 muestra el comportamiento de una estructura

    convencional y una estructura con aislamiento de base ante un movimiento ssmico.

    Figura 1 Aislamiento ssmico de base vs. cimentacin convencional

    2

  • Experimentos y observaciones del comportamiento de edificios con base aislada, han mostrado que

    las aceleraciones dentro de la estructura son reducidas a casi la cuarta parte de las aceleraciones que

    se presentan en edificios similares con base fija. Adicionalmente, a pesar de que el edificio con

    base aislada tambin se desplaza, ste no se deforma; son los aisladores los que toman toda la

    deformacin.

    LOS AISLADORES

    Los aisladores de base consisten en capas intercaladas de acero y caucho, que en conjunto poseen

    gran rigidez vertical y flexibilidad lateral. Placas de acero en los extremos del aislador permiten

    fijarlo slidamente a la estructura y a la cimentacin. La figura 2 muestra el esquema de un

    aislador.

    Figura 2. Esquema de los aisladores

    Las capas de caucho permiten que el aislador se deforme lateralmente, reduciendo las cargas de

    sismo en el edificio, y permiten que el edificio retorne a su posicin original luego que el sismo ha

    cesado.

    METODOLOGA

    Se estudi el comportamiento terico de un mdulo de vivienda que ser sometido, en un proyecto

    posterior, a una serie de ensayos de simulacin ssmica en la mesa vibradora del Laboratorio de

    Estructuras de la PUCP. El anlisis consisti en someter a la estructura a 3 niveles

    (correspondientes a fases experimentales) de un sismo generado artificialmente a partir del espectro

    de la Norma E-030. Las fases representan un sismo raro (0.4g), un sismo muy raro (0.5g) y un

    sismo con una aceleracin mxima de 0.7g, generado para mostrar con mayor nfasis los

    beneficios del sistema de aislamiento. La figura 3 muestra el espectro de aceleracin y la seal de

    aceleracin correspondiente del sismo artificial.

    3

  • 0

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    3

    3.5

    -1.5

    -1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    1.5

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

    Tiempo (segundos)

    Ace

    lera

    cin

    (g)

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

    Periodo (segundos)

    Ace

    lera

    cin

    (g)

    a) Espectro de pseudoaceleracin b) Seal de aceleracin

    Figura 3. Seal artificial correspondiente a la Norma E-030

    La estructura se model en el programa de anlisis estructural no lineal Perform 2D y se simul la

    secuencia de ensayos que se efectuara en el laboratorio.

    BASE TERICA

    Para explicar brevemente los fundamentos del aislamiento ssmico, se presenta el anlisis de una

    estructura simple con aislamiento de base, resumido de la Ref. 1. El modelo viscoelstico de dos

    grados de libertad correspondiente est mostrado en la figura 5.

    Figura 5. Parmetros del sistema aislado de 2 GDL Trabajando con los desplazamientos relativos, las ecuaciones de movimiento del sistema son:

    (1) gsssb umkvvcvmvm &&&&&&& =+++ (2)

    gbbbbbsbb u)mmkcm)mm( += (vvvv &&&&&&& ++++

    4

  • Se asume los siguientes ordenes de magnitud de los parmetros estructurales: 1) mb> b = ( kb /M )1/2 . Se define = ( b/s )2 y se asume que es del orden de magnitud de 10-2. El factor de amortiguamiento de la estructura y del sistema aislado, s = cs/(2ms) y b = cb/(2Mb), respectivamente, son del mismo orden de magnitud de .

    Las frecuencias naturales del sistema estn dadas por

    bb = (3)

    ( ) 2/1ss 1 = (4)

    donde representa la frecuencia modificada del sistema aislado, y , representa la frecuencia de

    la estructura modificada por la presencia del sistema de aislamiento. Si se toman los trminos del

    orden de se obtiene las formas modales:

    b *s

    =11 (5)

    ( )[ ]

    = 11

    12 (6)

    Como se muestra en la figura 6, la estructura se mantiene prcticamente rgida en el primer modo,

    mientras que en el segundo modo, existe deformacin tanto en la estructura como en la base.

    Figura 6. Modos de vibracin del sistema aislado de 2 GDL

    Los factores de participacin, L1 y L2 de los dos modos estn dados por:

    L1= 1 - (7) 5

  • =2L (8) Si la frecuencia del segundo modo cambia a un valor mayor que el de la estructura de base fija, la

    estructura aislada sale del rango de las altas aceleraciones del espectro de pseudo aceleraciones de

    la estructura original.

    Los factores de amortiguamiento y son dados por: 1 2

    ==

    231

    )1()21(

    2/1 bb

    b (9)

    +

    = 2/12/1

    2/1 )1()1(bs

    s (10)

    El producto de y puede ser una adicin importante si b 2/1 s es muy pequeo, lo cual demuestra que un amortiguamiento alto en los aisladores de caucho puede contribuir significativamente al

    amortiguamiento del modo estructural.

    Para espectros de diseo de velocidad aproximadamente constante se tiene que los valores mximos

    del desplazamiento del sistema de aislamiento y la estructura estn dados por:

    ( bbDb

    Vmaxs

    SS

    v == , ) (11)

    ( bbDb

    Vmaxb

    SS

    v == , ) (12) El desplazamiento relativo en la estructura es de orden comparado con el desplazamiento del sistema aislado.

    El coeficiente de cortante basal de diseo, Cs, para una estructura de base fija y una estructura

    aislada son, respectivamente:

    ( )ssAssDss SSC == ,),(2 (13) ( )

    2/1

    2b

    2s22

    VbS 11SC

    +=

    ( ) ( )[ ] 2/1bbA 11,S += (14) El segundo trmino de (15) es despreciable. La reduccin en la fuerza cortante basal en el sistema

    aislado, es comparada con la estructura de base fija, donde ( )ssAS SC = , y est dado por: ( )( )ssA

    bbA

    SS

    ,, lo cual, para una velocidad espectral constante es b/s es aproximadamente del orden

    de 1/2 . Esto subestima la reduccin en la fuerza cortante de base.

    6

  • ANLISIS NO LINEAL DEL COMPORTAMIENTO ANTE EL SISMO DE 0.7g

    La figura 7 muestra un esquema del espcimen de ensayo. El modelo generado para el anlisis no

    lineal incluye todos los elementos resistentes: columnas y vigas de concreto armado y muros de

    albailera confinada.

    Figura 7. Modelo utilizado en el anlisis.

    La figura 8 muestra los resultados obtenidos del anlisis no lineal para el sistema con base fija (sin

    aislar) y el sistema aislado. Se presenta el comportamiento ssmico de los elementos ms

    esforzados: el muro del 1 piso, la viga del 2 piso y la columna del 1 piso. Se observa que los

    elementes con el sistema de cimentacin convencional alcanzan sus resistencias mximas y que en

    la estructura con base aislada su comportamiento es elstico. Esto indica claramente que la

    estructura con base fija sufrir daos considerables en el ensayo de simulacin ssmica en la mesa

    vibradora, mientras que la estructura con aislamiento ssmico no sufrir ningn dao (por ello ser

    conveniente hacer el ensayo de la estructura aislada primero).

    Cimentacin

    Orificios paraanclaje

    Excitacin ssmica

    Vista LateralVista Posterior Vista Anterior

    2200 2640 2200

    2001050

    130

    300

    3540

    75375 900 375

    75

    435

    615

    130

    100 1200 100500 100 75 500 650 500 75

    Unidad de albailera240x90x65 mm

    7

  • Sistema sin aislar Sistema aislado

    Muro

    -80

    -60

    -40

    -20

    0

    20

    40

    60

    80

    -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.00

    Distorsin angular

    Fuer

    za c

    orta

    nte

    (kN

    )

    -15.0

    -10.0

    -5.0

    0.0

    5.0

    10.0

    15.0

    -0.0002 -0.0002 -0.0001 -0.0001 0.0000 0.0001 0.0001 0.0002 0.0002

    Distorsin angular

    Fuer

    za c

    orta

    nte

    (kN

    )

    -0.80

    -0.60

    -0.40

    -0.20

    0.00

    0.20

    0.40

    0.60

    0.80

    -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008

    Curvatura (1/m)

    Mom

    ento

    (kN

    .m)

    -3.0

    -2.0

    -1.0

    0.0

    1.0

    2.0

    3.0

    -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

    Curvatura (1/m)

    Mom

    ento

    (kN

    .m)

    Viga

    -2.50

    -2.00

    -1.50

    -1.00

    -0.50

    0.00

    0.50

    1.00

    1.50

    2.00

    2.50

    -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06

    Curvatura (1/m)

    Mom

    ento

    (kN

    .m)

    -0.20

    -0.15

    -0.10

    -0.05

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004

    Curvatura (1/m)

    Mom

    ento

    (kN

    .m)

    Columna

    Figura 8. Curvas de histeresis de los elementos ms esforzados.

    8

  • La figura 9 muestra la curva de histresis del aislador tpico. La disipacin de energa por

    comportamiento histertico es evidente.

    -8.0

    -6.0

    -4.0

    -2.0

    0.0

    2.0

    4.0

    6.0

    8.0

    -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

    Distorsin angular

    Fuer

    za c

    orta

    nte

    (kN

    )

    Figura 9. Curva de histresis del aislador.

    La tabla 1 resume los resultados obtenidos. La columna de valores mximos indica los lmites en

    los cuales los elementos alcanzan su resistencia mxima.

    Tabla 1. Resumen de resultados.

    ELEMENTO PARMETRO VALORES Max. BASE FIJA BASE AISLADA

    Muro Fuerza cortante resistente (kN) 60 60 9.3

    Viga Momento resistente (kN.m) 2.5 2.5 0.7

    Columna Momento resistente (kN.m) 1.9 1.9 0.2

    Aislador Desplazamiento mximo 150 -- 90

    La figura 10 muestra el esquema deformado para los dos casos de anlisis. Se observa cmo en el

    caso aislado la estructura permanece prcticamente rgida, mientras que en el caso de base fija

    presenta grandes deformaciones.

    9

  • (a) (b)

    Figura 10. (a) Modulo deformado sin aislar

    (b) Modulo deformado con aislamiento ssmico.

    CONCLUSIONES

    Se demostr analticamente la efectividad del aislamiento de base para proteger la estructura

    analizada ante las acciones de sismos severos. Los resultados obtenidos indican la factibilidad de

    realizar un ensayo experimental para comparar el comportamiento ssmico de una estructura de

    albailera con base fija con el de la misma estructura proveda de un sistema confiable de

    proteccin ssmica consistente en aisladores de caucho.

    REFERENCIAS

    1. Kelly J.M., Earthquake-Resistant Design with Rubber, Segunda Edicin, Springer-Verlag,

    Londres, 1996.

    2. Harry G. Harris, Gajanan M. Sabnis, Structural Modeling and Experimental Techniques,

    Segunda Edicin, CRC Press, 1999.

    3. A. San Bartolom, Construcciones de Albailera, Segunda Edicin, PUCP, Lima ,1998.

    4. Norma Peruana de Cargas E020.

    5. Norma Peruana Sismo Resistente E030.

    6. Norma Peruana de Albailera E070.

    10

    RESUMENOBJETIVOANTECEDENTESFigura 1 Aislamiento ssmico de base vs. cimentacin convenLOS AISLADORESFigura 2. Esquema de los aisladores

    METODOLOGAFigura 5. Parmetros del sistema aislado de 2 GDLFigura 6. Modos de vibracin del sistema aislado de 2 GDLANLISIS NO LINEAL DEL COMPORTAMIENTO ANTE EL SISMO DE 0.7gSistema sin aislar VigaColumna

    CONCLUSIONESREFERENCIAS