UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS FACULTAD DE INGENIERA CIVIL PROYECTO DE TESIS ANLISIS SSMICO COMPARATIVO ENTRE EL REFORZAMIENTO TRADICIONAL CON PLACAS Y EL SISTEMA DE REFORZAMIENTO CON DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO PARA EL EDIFICIO ADMINISTRATIVO CENTRO EMPRESARIAL INTISUYO EN EL DISTRITO DE SAN MIGUEL Alumnos: ALICIA YSABEL ASSERETO GMEZ MILAGROS ARACELLI GAMBOA VSQUEZ ASESOR: DR. GENNER VILLARREAL CASTRO Lima, Marzo del 2014 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities A nuestros padres, por guiarnos y alentarnos a superarnos da a da,por la fortaleza que nos brindaron en los momentos difciles de nuestra carrera,por ser un ejemplo de vida, por su compresin y consejos,porque creyeron en nosotras, hoy podemos alcanzar nuestra meta. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities AGRADECIMIENTO Este espacio ha sido reservado para comentar nuestra gratitud a la persona que nos apoy durante el desarrollo de esta investigacin. Nuestro asesor, Dr. Genner Villarreal Castro, quien nos orient siempre hacia adelante y mostr una gran paciencia en las interminables revisiones de cada captulo, nos manifest de manera valiosa todo su respaldo y aliento. Sus ideas y sugerencias han hecho que este trabajo sea ms claro y concreto y que en un futuro pueda servir a nuestros colegas a entender el manejo de un programa cada vez ms difundido para el anlisis y diseo ssmico de edificaciones. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.i INDICE INTRODUCCIN ................................................................................................ 1 PLANTEAMIENTO METODOLGICO ............................................................... 3 1.ESTADO DEL ARTE ..................................................................................... 7 1.1.SISMICIDAD EN EL PER ............................................................................. 7 1.1.1.Origen de los Sismos en el Per ................................................................ 10 1.1.2.Registros Ssmicos .................................................................................... 12 1.1.3.Daos estructurales ................................................................................... 15 1.2.SISTEMA DE REFORZAMIENTO TRADICIONAL ..................................... 16 1.2.1.Reforzamiento de Columnas ..................................................................... 17 1.2.2.Prticos Arriostrados ................................................................................ 18 1.2.3.Muros de corte o placas ............................................................................ 19 1.3.SISTEMA DE REFORZAMIENTO CON DISIPADORES DE ENERGIA ..... 23 1.3.1.Definicin e Importancia del Sistema ........................................................ 23 1.3.2.Tipos de disipadores de energa ................................................................ 24 1.3.3.Edificaciones Importantes con Disipadores de Energa.............................. 29 1.4.DISIPADORES PASIVOS DE FLUIDO VISCOSO ....................................... 32 1.4.1.Ecuacin General ...................................................................................... 33 1.4.2.Respuesta del Efecto del Coeficiente de Velocidad ................................... 36 1.4.3.Esquema del Dispositivo ........................................................................... 37 1.4.4.Criterios de Ubicacin .............................................................................. 39 1.4.5.Fabricantes ............................................................................................... 41 2.DESCRIPCIN Y ESTRUCTURACIN DEL PROYECTO ........................... 44 2.1. CONDICIONES GENERALES DE LA EDIFICACIN .................................. 44 2.1.1.Proyecto Arquitectnico ........................................................................... 44 2.1.2.Descripcin del Edificio............................................................................ 44 2.1.3.Estudio de Mecnica de Suelos ................................................................. 45 2.2.ANLISIS ESTRUCTURAL DE LA EDIFICACIN .................................... 46 2.2.1.Requisitos Normativos Reglamentarios ..................................................... 47 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.ii 2.2.2.Criterios Generales de Estructuracin ....................................................... 49 2.2.3.Predimensionamiento de Elementos Estructurales ..................................... 49 2.2.4.Anlisis de Cargas por Gravedad .............................................................. 52 2.2.5.Configuracin Estructural y Regularidad .................................................. 54 2.3.ANLISIS SSMICO DE LA EDIFICACIN APORTICADA ...................... 59 2.3.1.Anlisis Ssmico Normativo...................................................................... 59 2.3.2.Parmetros Ssmicos ................................................................................. 60 2.3.3.Anlisis Ssmico con SAP 2000 ................................................................ 61 3.REFORZAMIENTO TRADICIONAL CON PLACAS .................................... 74 3.1.CRITERIOS GENERALES DE ESTRUCTURACIN ................................... 74 3.2.PREDIMENSIONAMIENTO DE PLACAS .................................................... 74 3.3.ANLISIS DE CARGAS POR GRAVEDAD ................................................. 75 3.4.CONFIGURACIN ESTRUCTURAL Y REGULARIDAD ........................... 77 3.4.1.Irregularidades Estructurales en Altura ..................................................... 77 3.4.2.Irregularidades Estructurales en Planta ...................................................... 79 3.5.ANLISIS SSMICO ...................................................................................... 80 3.5.1.Anlisis Ssmico Normativo...................................................................... 80 3.5.2.Parmetros Ssmicos ................................................................................. 81 3.5.3.Anlisis Ssmico con SAP 2000 ................................................................ 82 4.REFORZAMIENTO CON DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO ................ 89 4.1.METODOLOGIA DE DISEO DE AMORTIGUADORES ........................... 89 4.1.1.Objetivos de Desempeo .......................................................................... 89 4.1.2.Definicin de los Objetivos de Diseo ...................................................... 91 4.1.3.Propiedades del Amortiguador .................................................................. 94 4.1.4.Modelamiento del Sistema de Amortiguamiento ....................................... 95 4.2.ELECCIN DE LOS OBJ ETIVOS DE DESEMPEO ................................... 96 4.3.ELECCIN DE LOS OBJ ETIVOS DE DISEO ............................................ 97 4.3.1.Deriva Objetivo ........................................................................................ 97 4.3.2.Amortiguamiento Objetivo ....................................................................... 98 4.4.UBICACIN DE LOS DISIPADORES VISCOSOS ....................................... 98 4.5.DISEO ESTRUCTURAL DEL BRAZO METLICO ................................ 100 4.6.DISEO ESTRUCTURAL DE AMORTIGUADORES VISCOSOS ............. 100 4.7.ANLISIS SSMICO .................................................................................... 102 4.7.1.Anlisis Ssmico Normativo.................................................................... 102 4.7.2.Anlisis Ssmico con SAP 2000 .............................................................. 102 4.8.BALANCE DE ENERGA ............................................................................ 104 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.iii 4.9.CURVA DE HISTRESIS ............................................................................ 106 4.10.MODOS Y PERIODOS RESULTANTES .............................................. 107 5.ANLISIS SSMICO COMPARATIVO ...................................................... 110 5.1.ANLISIS SSMICO COMPARATIVO DE DISIPACIN DE ENERGA .. 110 5.2.ANLISIS COMPARATIVO DE DESPLAZAMIENTOS LATERALES .... 113 5.3.ANLISIS COMPARATIVO DE FUERZAS ............................................... 117 5.4.ANLISIS COMPARATIVO DE DAOS POST-SISMO............................ 119 5.4.1.Estructuras Reforzadas con Placas .......................................................... 120 5.4.2.Estructuras Reforzadas con Disipadores de Energa ................................ 122 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................... 125 BIBLIOGRAFA .............................................................................................. 128 ANEXOS UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.iv LISTA DE FIGURAS FIGURA 1DistribucindelaSismicidadenAmricaCentral,Suryensuszonas ocenicas FIGURA 2Principales Sismos ocurridos en Per durante los ltimos 400 aos FIGURA 3Configuracin del contacto de la Placa de Nazca y la Placa Sudamericana FIGURA 4Proceso de Subduccin en la costa de Per y Chile FIGURA 5Registro Completo de Lima, Per 17/10/66 FIGURA 6Registro Completo de Chimbote, Per 31/05/70 FIGURA 7Registro Completo de Lima, Per 03/10/74 FIGURA 8Registro Completo de Ocoa, Per 23/06/2000 FIGURA 9Registro Completo de Ica, Per 15/08/2007 FIGURA 10Diagonales sencillas en un prtico FIGURA 11Tipos de arriostramiento a) Cruz, b) V invertida y c) V bracing FIGURA 12Continuidad estructural FIGURA 13Relacin de esbeltez en muros de corte FIGURA 14Dispositivo de neopreno zunchado con ncleo de plomo FIGURA 15Aislamiento de base de friccin con placa deslizante plana FIGURA 16Aislador pendular con superficie deslizante cncava FIGURA 17Concepcin clsica y con tanques de agua del TMD FIGURA 18Los ngeles City Hall, Los ngeles, USA FIGURA 19Torre Mayor - Mxico FIGURA 20Torre Mayor - Mxico FIGURA 21Edificio Titanium - Chile FIGURA 22Rehabilitacin de la Torre del Aeropuerto Internacional J orge Chvez FIGURA 23Centro Empresarial Reducto FIGURA 24Disipador de Energa de Fluido Viscoso FIGURA 25Relacin Velocidad vs. Fuerza del Disipador.FIGURA 26Relacin Fuerza vs. Velocidad FIGURA 27Relacin Fuerza vs. Desplazamiento Histertico FIGURA 28Funcionamiento de un Disipador de Fluido Viscoso FIGURA 29Partes fsicas de un Disipador de fluido Viscoso TAYLOR DEVICES INC.FIGURA 30Disposicin Chevron Brace FIGURA 31Disposicin Chevron Brace Invertida.FIGURA 32Disposicin Diagonal UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.v FIGURA 33Disposicin Scissor J ack FIGURA 34Disipadores Viscosos de la marca Taylor Devices Inc. FIGURA 35Planta del primer piso FIGURA 36Planta del segundo, tercer, cuarto y quinto piso FIGURA 37Ubicacin del terreno en estudio FIGURA 38Direccin de la losa aligerada FIGURA 39Tipos de Columnas FIGURA 40Planta de la Estructura Aporticada FIGURA 41Corte del plano XZ del Diseo Estructural FIGURA 42Ejemplo de planta con irregularidad de discontinuidad de diafragma FIGURA 43Definicin de fuerzas ssmicas laterales en SAP 2000 FIGURA 44Funcin Espectral de Respuesta del Suelo FIGURA 45Espectro de respuesta direccin XX FIGURA 46Espectro de respuesta direccin YY FIGURA 47Planta de la estructura con placas FIGURA 48Corte del plano XZ del diseo estructural con placas FIGURA 49Propiedades del Dispositivo en el software SAP 2000 FIGURA 50Disposicin de disipadores en eje XX (Eje 4) FIGURA 51Disposicin de disipadores en eje YY (Eje C) FIGURA 52Balance de Energa Registro Lima 1966 FIGURA 53Balance de Energa Registro Chimbote 1970 FIGURA 54Balance de Energa Registro Lima 1974 FIGURA 55Balance de Energa Registro Ocoa 2001 FIGURA 56Balance de Energa Registro Ica 2007 FIGURA 57Curva Desplazamiento-Fuerza Link 1 (Eje XZ) FIGURA 58Curva Desplazamiento-Fuerza Link 12 (Eje YZ) FIGURA 59Balance de Energa de modelo reforzado con placas FIGURA 60Falla en los extremos de placas en Sismo Chile 2010 FIGURA 61Falla por compresiones elevadas en placas del Sismo Chile 2010 FIGURA 62Falla por deflexin en muro del Sismo Chile 2010 FIGURA 63Falla por Corte Cizalle y Voladizos en muro del Sismo Chile 2010 FIGURA 64Balance de Energa de modelo reforzado con disipadores viscosos FIGURA 65Grfico de desplazamientos mximos segn tipo de estructura Sismo X FIGURA 66Grfico de desplazamientos mximos segn tipo de estructura Sismo Y FIGURA 67Ubicacin de columna C1 en la estructura (entre eje 1 y A) UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.vi FIGURA 68Edificacin Tradicional vs. Edificio con Disipadores de Energa Terremoto de Chile (Concepcin) LISTA DE TABLAS TABLA 1Principales Sismos ocurridos en Per TABLA 2Dimensiones de las Vigas Peraltadas TABLA 3Dimensiones de las Columnas TABLA 4Peso total de la estructura aporticada TABLA 5Clculo total de reas de elementos verticales por piso (columnas) TABLA 6Clculo total de masas por piso TABLA 7Irregularidad Torsional en X TABLA 8Irregularidad Torsional en Y TABLA 9Derivas de entrepiso permitidas por RNE TABLA 10Peso Ssmico por Pisos de la estructura aporticada TABLA 11Fuerzas ssmicas laterales en estructura aporticadaTABLA 12Desplazamiento de Entrepiso y Control de Derivas Sismo X TABLA 13Desplazamiento de Entrepiso y Control de Derivas Sismo Y TABLA 14Espectro del Suelo TABLA 15Clculo de Masa traslacional y rotacional por entrepiso TABLA 16Desplazamiento de Entrepiso y Control de Derivas Sismo X TABLA 17Desplazamiento de Entrepiso y Control de Derivas Sismo Y TABLA 18Control de Condicin de cortantes para Sismo X TABLA 19Control de Condicin de Cortantes para Sismo en Y TABLA 20Factor de Escala para Direccin XX e YY TABLA 21Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Sismo X TABLA 22Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Sismo Y TABLA 23Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo X TABLA 24Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo Y TABLA 25Periodos de Vibracin y Frecuencia Sismo X y Sismo Y TABLA 26Peso total de la estructura con placas TABLA 27Clculo total de reas de elementos verticales por piso TABLA 28Clculo total de placas por piso TABLA 29Irregularidad Torsional en X TABLA 30Irregularidad Torsional en Y UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.vii TABLA 31Peso Ssmico por pisos segn metrado de cargas TABLA 32Clculo de Masa Traslacional y Rotacional por entrepiso TABLA 33Desplazamiento de Entrepiso y Control de Derivas Sismo X TABLA 34Desplazamiento de Entrepiso y Control de Derivas Sismo Y TABLA 35Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Sismo X TABLA 36Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Sismo y TABLA 37Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo X TABLA 38Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo Y TABLA 39Periodos de Vibracin y Frecuencia TABLA 40Niveles de Movimiento Ssmico TABLA 41Nivel de desempeo de una edificacin TABLA 42Estados de dao y niveles de desempeo TABLA 43Niveles recomendados de Desempeos esperados TABLA 44Clasificacin segn tipo de Estructura TABLA 45Relacin Estado de dao-Deriva segn tipo de estructura TABLA 46Nivel de Desempeo de acuerdo a frecuencia de sismos TABLA 47Derivas objetivo segn dao estructural TABLA 48Nivel de Desempeo y derivas objetivo para edificio C1M TABLA 49Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Sismo X TABLA 50Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Sismo Y TABLA 51Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo X TABLA 52Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo Y TABLA 53Periodos de Vibracin y Frecuencia Sismo X y Sismo Y TABLA 54Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Aporticado Sismo X TABLA 55Desplazamientos por piso y por registro Ssmico Aporticado Sismo Y TABLA 56Desplazamientos Laterales por registro Ssmico Sismo X TABLA 57Desplazamientos Laterales por registro Ssmico Sismo Y TABLA 58Porcentajes de Variacin de Desplazamientos Laterales Sismo X TABLA 59Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo X TABLA 60Derivas de entrepiso por registro Ssmico Sismo Y TABLA 61Comparativo de fuerza axial TABLA 62Comparativo de fuerza cortante TABLA 63Nivel de Daos post-sismo UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.viii ANEXOS ANEXO 1METRADO DE CARGAS DE GRAVEDAD ANEXO 2 CLCULO DEL CENTRO DE MASA ANEXO 3METRADODECARGASDEGRAVEDADDELEDIFICIOCON PLACAS ANEXO 4CLCULO DEL CENTRO DE MASA DEL EDIFICIO CON PLACAS ANEXO 5PLANOS DE LA EDIFICACIN UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.1 INTRODUCCIN En los ltimos aos, los eventos ssmicos se han convertido en uno de los fenmenos naturales ms frecuentes y que ocasionan mayor preocupacin a la sociedad en el mundo entero. El Per pertenece a una de las zonas con mayor actividad ssmica en la tierra, esto se debe al resultado de la interaccin de las placas tectnicas de Nazca y Sudamericana, por esto, nuestro pas est expuesto a grandes movimientos ssmicos que pueden traer consigo la prdida de vidas humanas y prdidas materiales. Buscando una forma de mitigar los riesgos en las edificaciones, se han realizado una serie de estudios para conocer el comportamiento ms probable de una edificacin frente a la actividad ssmicaylosdaosquesecausanendichaedificacinparaasmejorarlasprcticas constructivas, recursos y materiales a ser empleados en las construcciones. A travs de los aos, se han logrado crear normas de diseo que permiten realizar el anlisis y diseodeunaedificacinteniendoencuentalascargasssmicas,loscoeficientes dediseo ssmico,el suelodefundaciny la zonaen la que seencuentra,conel objetivo de queesta resista la actividad ssmica sin colapsar hasta que las personas que se encuentran dentro puedan evacuar y as evitar prdidas humanas. Ante un sismo severo, la estructura con reforzamiento de placas posee un diseo que le permite tenerundesempeossmicoaceptable,yaqueconsisteenunamodificacindelas caractersticasestructuralescomoresistencia,rigidez,masaycapacidaddedisipacinde energa, mientras que se acepta un determinado nivel de dao estructural y no estructural. Con elpasodelosaos,sehavistolanecesidaddeaplicarnuevastecnologasparamejorarel desempeo de laestructura aniveldedesplazamientos laterales frente aeventos ssmicos; a partirdeestosurgenlosdispositivosdisipadoresdeenerga,loscualesseempleanparael reforzamiento de edificaciones con el fin de mejorar su comportamiento ssmico.Por lo tanto, actualmente,el sistemadedisipadores deenergaha sido implementado en los cdigos de diseo, ya sea en los mtodos de diseo por fuerza lateral o diseo por espectro de respuesta.Conestascaractersticaslaestructuraesdiseadapararesistirunacargaesttica equivalente, brindando resultados razonablemente satisfactorios. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.2 Lapresenteinvestigacin,estorientadaalanlisiscomparativoentreelsistemade reforzamiento tradicional con placasyel sistemadereforzamiento condisipadoresdefluido viscosoparaevaluarculdeelloseselmsfavorabledesdeelpuntodevistaestructural. Tambin,estenfocadaamodelar estticaydinmicamenteunaedificacinydeterminar su comportamiento ante solicitaciones ssmicas. Se pretende hallar los desplazamientos y fuerzas mximas para evaluarlas de acuerdo a los valores permisibles determinados por la Norma E030, NormadeDiseoSismo-ResistentedelReglamentoNacionaldeEdificaciones.Adems,se debernincorporaralgunasinnovacionesquepermitanunmejorcomportamientodela estructura frente a las fuerzas ssmicas. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.3 PLANTEAMIENTO METODOLGICO Delimitacin Se tomar como modelo un edificio de carcter administrativo del proyecto Edificio Intisuyo, ubicadoentrelaAvenidaRafaelEscardylaCalleIntisuyoeneldistritodeSanMiguel, provincia y departamento de Lima. Dicho edificio cumple con los requisitos arquitectnicos reglamentarios. Presenta las siguientes caractersticas:cinco(05)niveles;elreadecadanivelesaproximadamente 350mycada nivelestconformadoporoficinasdestinadasaunusoespecfico.Enelprimernivelse encuentra el rea de recepcin, zona de espera, counter, cuatro (04) oficinas tpicas, un pool de oficinas de 74.87m2 (administracin, contabilidad y marketing), una (01) oficina de Gerencia General(bao incluido)yuna (01) salade reuniones; enel segundo, tercer,cuartoyquinto nivel,lazonadeespera,counter,hall,cuatro(04)oficinastpicas,unpooldeoficinasde 102.45m2(administracin,contabilidadymarketing),una(01)oficinadeGerenciaGeneral (baoincluido),una(01)saladereuniones,un(01)archivo.Todoslospisoscuentancon servicios higinicos y kitchenette.Serealizarelanlisisssmico delaedificacinteniendoencuentaeldiseoarquitectnico actual de esta, posteriormente, sedeber incorporarun reforzamientoeneledificio para que cumpla el criterio normativo sismo-resistente. Por lo tanto, se llevar a cabo el anlisis y diseo estructural de la edificacin con reforzamiento tradicional y con el sistema de reforzamiento con disipadoresdefluidoviscosoparadeterminarculdeellostieneunmejorcomportamiento frente a un sismo severo. Paraelanlisisssmicodeledificiosecumplirconlosrequisitosestablecidosenlanorma E.030 (Diseo Sismo-resistente); el diseo estructural se regir por la norma E.060 (Concreto Armado) para el caso del reforzamiento tradicional con muros de corte o placas, y por la norma Chilena (NCh2369) para el caso de reforzamiento con disipadores de fluido viscoso, ya que en el Per no se cuenta con una norma tcnica de disipadores de energa. Antecedentes Enlosltimosaos,estudiosdesarrolladosenLimaMetropolitanamuestranelcrecimiento vertical del mercado inmobiliario de edificios corporativos. El boom inmobiliario estall hace tres aos,ya queenese periodo seconstruyeronedificioscorporativos porunaextensinde 260,000 m2 y se calcula que por ao el rea construida no bajar de los 60,000 m2. La zona UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.4 preferida para este tipo de proyectos es San Isidro, porque all se encuentra el principal centro bancariodelaciudad.Adems,esundistritoquecuentaconvariosestablecimientos comerciales. Actualmente, los inversionistas han encontrado zonas como Surcoy San Miguel como el lugar ideal para construir nuevas edificaciones, pues es la zona donde viven los ms importantes ejecutivos del pas, quienes quieren evitar el trfico vehicular de Miraflores y San Isidro. Por otro lado, la humanidad ha experimentado a lo largo de su historia el efecto destructivo de lossismos.EnelsigloXX,estosfenmenosnaturaleshanincrementadosufrecuenciade ocurrencia y, debido a este incremento, el reforzamiento de edificaciones es uno de los temas ms importantes a ser estudiados en el campo de la Ingeniera Civil. En la actualidad, la mayora de lasedificaciones sonconstruidasconel reforzamiento a base demuros decorte o placas, siendo estas consideradas durante muchos aos como la mejor tcnica de construccin. Sin embargo, evaluando y comparando la experiencia de otros pases en este campo, se propone comoalternativadesolucinalreforzamientodeunaedificacin,elusodedisipadoresde energa, ya que estos reducen la energa a ser disipada en un sismo severo. Adems, se evalan loscostosalargoplazodeestesistemacomparadoconeldereforzamientotradicional, especficamente con muros de corte o placas, siendo los disipadores una excelente alternativa. La modelacin de estos sistemas de reforzamiento tendr que ser desarrollada en base a modelos y utilizando software estructurales como SAP 2000. Formulacin del Problema Problema General El reforzamiento con disipadores viscosos presenta un comportamiento ms adecuado que el reforzamiento tradicional con placas en un edificio frente a un sismo severo? Problemas Especficos Culessonlasvariablesmsimportantesparaobtenerundiseosismo-resistenteeficiente segnelReglamentoNacionaldeEdificaciones(RNE)paraunsistemadereforzamiento estructural con muros de corte o placas? Cules son las variables ms importantes para obtener un diseo sismo-resistente eficiente para un sistema de reforzamiento con disipadores de fluido viscoso? UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.5 QucriteriosdediseopuedenserimplementadosenlafuturaNormaPeruanadeDiseo Sismo-resistente de estructuras con disipadores de energa? Objetivos Objetivo General Realizar un anlisis y diseo ssmico comparativo entre el reforzamiento tradicional con placas y el sistema de disipadores viscosos para determinar cul de ellos es el ms beneficioso frente a un sismo mediante el uso del programa de modelacin estructural SAP 2000. Objetivos especficos -Definir el sistema de reforzamiento estructural tradicional y sus elementos. -Definir el sistema de reforzamiento con muros de corte o placas y su comportamiento. -Definir una metodologa para el anlisis y diseo de edificaciones con la incorporacin de disipadores de energa de fluido viscoso. -Realizar un anlisis ssmico para una edificacin utilizando el software estructural SAP 2000. -Mostrarycompararlosresultadosobtenidosenlamodelacinentreelsistemade reforzamientoestructuraltradicionalconplacasyelsistemadereforzamientocon disipadores viscosos. -Definir qu criterios adecuados de diseo pueden ser adoptados e implementados en la futuraNormaPeruanadeDiseoSismoresistentedeestructurascondisipadoresde energa. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.6 Captulo 1 Estado del Arte UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.8 Laszonasssmicasseencuentranagrupadasdeacuerdoasuscaractersticasgeolgicasy geogrficas y se pueden clasificar de la siguiente manera: -Crculo Circum-pacfico o Cinturn de fuego Es la zona ms activa del mundo y tiene una extensin de 40000 Km, omprende toda la parte oeste del continente americano (desde Alaska hasta el sur de Chile) y desde la parte norte de J apn, Indonesia, Nueva Zelanda, hasta las islas Fiji y Honda al sur.2 -Zona ssmica transasitica Se extiende desde las islas Azores, al sur de Espaa, pasa por Italia, Grecia, Turquay Persia, y llega hasta el Himalaya y el norte de la India y China. (Bozzo y Barbat 2002:3) -Rifts Ocenico Indo Atlntico e Indo Antrtico ElOcanoAtlnticoyelOcanoIndicoestndivididosporgrietasdeconfluenciade placas tectnicas que producen sismos superficiales de magnitud moderada. El Per se encuentra ubicado en el Cinturn de Fuego del Pacfico, esta regin es la de mayor actividadssmicayvolcnicadelplaneta.Frenteallitoralperuanoconvergenlasplacasde NazcaySudamrica.DurantelosltimosmillonesdeaoslaplacadeNazcaseviene introduciendo bajo la placa de Sudamrica, mediante el proceso llamado subduccin, lo que ha dado origen a la Cordillera de los Andes y la fosa marina. Las asperezas en las zonas de contacto entre ambas placas traban su desplazamiento, deforman la corteza terrestreydan lugar a la acumulacindefuerzas. Cuandoestasfuerzas ejercen la elasticidaddelasrocasseproducenfracturasqueliberanlaenergaenformadeondas ssmicas.3 Segn las caractersticas de la zona, el Per se encuentra dividido en 3 zonas ssmicas: la regin de mayor riesgo ssmico es la Costa, seguida de la Sierra y, en menor medida, la Selva.4 -Zona 3: la Costa se considera en mayor medida, ya que bajo el mar, entre la fosa marina y elcontinente,seproducenlamayoradelossismosqueafectananuestroterritorio, adems, de mencionar otros factores de riesgo como la densidad poblacional o la amenaza de tsunamis.-Zona2: laSierrasufreunmenornmerodeterremotosquelacostaperoesaltamente vulnerable. Cuando ocurre un sismo, este genera avalanchas y desplazamientos verticales (subsidencias) que frecuentemente tienen consecuencias devastadoras. 2 Bozzo y Barbat 2002:3 3 Cfr. Instituto Geofsico del Per 16 4 Cfr. Instituto Geofsico del Per 17 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.9 -Zona1:laSelvaAltaovertienteorientaldelosAndesesunazonademenorpeligro ssmico.EnelllanoamaznicooSelvaBajaprcticamentenohayterremotos,ose producen a gran profundidad y no revisten mayor peligro. De acuerdo a los registros ssmicos, en esta zona han ocurrido sismos severos con magnitudes de hasta 8.5 grados en la escala de Richter, entre los que se encuentran los mencionados en la tabla N 1 y en la Figura 2.Tabla N 1. Principales Sismos ocurridos en PerSi smosMagnitudInformacin Adicional LugarAoMwMuertosHeridosDamnifi cados Suroeste de Ica20126.3105800 Suroeste de Ica20116.911031,000 Pucallpa20117.0120 Pisco e Ica20077.95192,000340,000 Moyobamba20057.51016412,600 Arequipa20018.4 240 (70 desaparecidos) 2,400460,000 Arequipa19996.8120 Nazca19967.7202,000200,000 Lambayeque,La Libertad y Ancash 19967.6 40 (17 desaparecidos) 20020,000 San Martn19936.540800235,000 San Martn19907.0 400 (135 desaparecidos) 2,800500,000 Cuzco19866.0 153 (27 desaparecidos) 1,200180,000 Lima19748.02543,600300,000 Chimbote19707.9 100,000 (25,000 desaparecidos) 358,0003000,000 Callao19667.52201,800258,000 Arequipa19607.56872,000170,000 Arequipa19587.3228845100,000 Satipo19477.82,233 Sihuas19467.92,500 Nazca19428.233 Lima y Callao19408.01,000 Fuente: Elaboracin propia, datos de IGP UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.10 Figura 2. Principales Sismos ocurridos en Per durante los ltimos 400 aos Fuente: Instituto Geofsico del Per ParadeterminardequeformasedesarrollalasismicidadenelPer,seabordarenlos siguientes subcaptulos los temas orientados a los orgenes de los sismos peruanos, los registros ssmicos del Per con los que se cuenta para un futuro anlisis y los daos estructurales que pueden causar los sismos en las estructuras. 1.1.1.Origen de los Sismos en el Per La actividad ssmica en el Per est asociada al proceso de subduccin de la placa ocenica de Nazca bajo la placa sudamericana, la cual se realiza a lo largo de gran parte del borde occidental del continente sudamericano con una velocidad relativa de 10cm al ao. Este proceso genera en elcontinenteunaltondicededeformacinquedaorigena laformacindelascordilleras (Cordillera de los Andes) y a la fosa Peruano-Chilena. En el flanco oriental del continente Sudamericano, la placa Ocenica de Nazca se mueve con una velocidad de, aproximadamente, 10 cm al ao contra la placa continental que lo hace 4 cm al ao en sentido contrario.5 En el proceso de subduccin, la placa de Nazca se introduce por debajo de la placa Sudamericana, este movimiento produce la acumulacin de energa en ciertas

5 Cfr. Tavera 2000:12 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.11 zonas, las cuales se resisten a los desplazamientos de las placas, posteriormente esta energa se libera por medio de sismos o erupciones volcnicas (Figuras 3 y 4). Figura 3. Configuracin del contacto de la Placa de Nazca y la Placa Sudamericana Fuente: Tavera 2000 Figura 4. Proceso de Subduccin en la costa de Per y Chile Fuente: Corporacin Aceros Arequipa La sismicidad en el Per puede dividirse en dos tipos de acuerdo a como se originan: el ms importanteest asociado alcontactode las placas quegeneran los terremotos demagnitudes elevadasconrelativafrecuenciaadiferentesprofundidadesyelsegundocorrespondeala actividad ssmica producida por la deformacin de la Cordillera de los Andes, con terremotos de menor magnitud y frecuencia. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.12 1.1.2.Registros SsmicosLa distribucin y origen de los terremotos en Per, ha dado origen a la creacin de instrumentos que permitanregistrar laaceleracin de lasondas ssmicas. Es poresto que, parael anlisis inelstico de los sismos se deben usar, segn la Norma E.030 de Diseo Sismo-resistente, por lo menoscincoregistrosdeaceleracioneshorizontalescorrespondientesasismosreales.Estos registros ssmicos se muestran a continuacin:Registro Ssmico Lima 1966 Se consider el registro ssmico completo de Lima del 17 de octubre de 1966 amplificado con la mximaaceleracindelsueloperuanoZ=0.4g(N.T.EE.030)cuyamagnitudasciende aproximadamente a la de un sismo severo. El registro de Lima 17/10/1966 posee una aceleracin mxima de 269.3 cm/s2 y una duracin de 65.62 seg. Figura 5. Registro Completo de Lima, Per 17/10/66 Fuente: Catlogo Ssmico del Per Registro Ssmico Chimbote 1970 RegistroSsmicocompletodeChimbotedel31deMayo1970amplificadoconlamxima aceleracin del suelo peruano Z=0.4g (N.T.E E.030) El registro de Chimbote31/05/1970 posee una aceleracin mxima de 104.8 cm/s2/1000 y una duracin de 45 seg. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.13 Figura 6. Registro Completo de Chimbote, Per 31/05/70 Fuente: Propia SAP 2000 Registro Ssmico Lima 1974 RegistroSsmicocompletodeLimadel03deoctubre1974amplificadoconlamxima aceleracin del suelo peruano Z=0.4g (N.T.E E.030) ElregistrodeLima03/10/1974poseeunaaceleracinmximade192.5cm/s2/1000yuna duracin de 97.96 seg. Figura 7. Registro Completo de Lima, Per 03/10/74 Fuente: Catlogo Ssmico del Per Registro Ssmico Ocoa 2001 RegistroSsmicocompletodeOcoadel23dejuniodel2001amplificadoconlamxima aceleracin del suelo peruano Z=0.4g (N.T.E E.030) UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.14 ElregistrodeChimbote23/06/2001poseeunaaceleracinmximade295.22cm/s2yuna duracin de 120 seg. Figura 8. Registro Completo de Ocoa, Per 23/06/2000 Fuente: Propia SAP 2000 Registro Ssmico Ica 2007 RegistroSsmicocompletodeIcadel15deagostodel2007amplificadoconlamxima aceleracin del suelo peruano Z=0.4g (N.T.E E.030) El registro de Ica 15/08/2007 posee una aceleracin mxima de 131.435 cm/s2 y una duracin de 210 seg. Figura 9. Registro Completo de Ica, Per 15/08/2007 Fuente: Propia SAP 2000 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.15 1.1.3.Daos estructurales Segn los efectos que han dejado los sismos en el mundo se puede comprobar que si se disea conunacorrectanormativasismo-resistenteydondelaconstruccinessometidaauna supervisin estricta, el dao no es significativo en comparacin con lugares donde no se han cumplido estas condiciones. Sinembargo,caberesaltarqueeldiseodeacuerdoalaNormanosiempreprotegeala estructura contra el dao excesivo producido por sismos severos. Esto se debe a que los cdigos normativosseactualizanconstantementeenbasealestudiodelosefectosquedejanlos terremotos ocurridos, adems de las investigaciones y pruebas de laboratorio. Las caractersticas principales que proporcionan seguridad contra el colapso son la ductilidad y la redundancia, especialmente si los movimientos son severos. Si la ductilidad es deficiente, es decir, es una estructura frgil, como no es posible de esperar grandes deformaciones para que pueda absorberenerga dinmica, la estructuradeberestar provistadeuna plena resistencia elstica, para evitar el colapso estructural.6 El dao severo o el colapso de la estructura durante el sismo es, por lo general, consecuencia directadelafalladeunsoloelementooseriedeelementosdeductilidadoresistencia insuficiente.Porello,esimportantequelasedificacionescuentenconunacapacidadde deformacinsuficienteparasoportaradecuadamentelasolicitacinssmica.Adems,para evitar una falla frgil y proporcionar suficiente ductilidad se debe colocar el refuerzo transversal separado y bien detallado en la regin de la rtula plstica potencial. Otra de las fallas comunes en las edificaciones es la deficiencia en la unin de los elementos estructurales que son los puntos ms crticos, ya que, miembros estructurales como columnas, vigas y techos se encuentran conectados para formar el armazn de la estructura y, obviamente, si los miembros no se encuentran plenamente conectados es natural que sean dbiles ante los sismos. Enlasunionesviga-columnaelcortanteproducegrietasdiagonalesyescomnver fallas por adherencia y anclaje del refuerzo longitudinal de las vigas, debido al poco desarrollo del mismo y/o a consecuencia de esfuerzos excesivos de flexin. Lascaractersticasde irregularidad tanto en planocomoenelevacin, tambin son una falla importante que se presenta en estructuras de concreto armado. La extremada irregularidad en planta y los sbitos cambios de rigidez en elevacin o corte generan torsin en la estructura, lo 6 Cfr. Oshiro 68 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.16 quehacequecomnmentesepresentendaosestructuralesencolumnastalescomogrietas diagonales. Muchas de las fallas de colapso estructural se han debido a la extremada irregularidad en las porcionesdelcentrodegravedadyelcentroderigidez.Siunpisodeterminadoposeeuna rigidez, que en comparacin a la rigidez del piso vecino es extremadamente menor, en el piso de rigidez baja se incrementar sustancialmente la deformacin7 y se concentrar la absorciny disipacin de energa en el momento del sismo, lo cual se evidenciar con fallas en los extremos superior e inferior de las columnas. Asimismo,escomnquesepresentendaosestructuralesencolumnastalescomogrietas verticales,desprendimientodelrecubrimiento,aplastamientodelconcretoypandeodelas barraslongitudinalesporexcesodeesfuerzosdeflexo-compresin. Envigassepresentan grietas diagonales y rotura de estribos a causa de cortante y/o torsin, y grietas verticales, rotura del refuerzo longitudinal y aplastamiento del concreto por la flexin que impone el sismo arriba y debajo de la seccin como resultado de las cargas alternadas. En las losas se pueden presentar grietas por punzonamiento alrededor de las columnas y grietas longitudinales a lo largo de la placa, debido a la excesiva demanda por flexin que en ciertas circunstancias puede imponer el sismo. Pocosedificiossediseanpararesistirsismosseverosenelrangoelstico,porlocuales necesario proporcionarle a la estructura capacidad de disipacin de energa mediante tenacidad y ductilidad en los lugares que se espera que la resistencia elstica pueda ser excedida. Esto se aplica a los elementos y a las conexiones de los elementos, puntos que usualmente son los ms dbiles.8 1.2.SISTEMA DE REFORZAMIENTO TRADICIONAL Las diversas actividades ssmicas que han afectado a las edificaciones alrededor del mundo, han dejadocomoevidenciaqueestassonvulnerables;esporestoqueconeltiemposehan desarrollado normas sismo-resistentes, tcnicas y diversos materiales con el fin de fortalecer la estructura y permitir que esta soporte un sismo severo sin que llegue a colapso, aunque puedan producirse daos locales importantes, y as, mitigar los posibles efectos de estos desastres. 7 Cfr. Oshiro 69 8 Cfr. Organizacin Panamericana de la Salud 2004:37 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.17 Desdeelpuntodevistaestructural,elreforzamientoconsisteenunamodificacindelas caractersticas estructurales de la edificacin tales como la resistencia, rigidez, masa, capacidad dedisipacindeenerga;lascualespermitenquelaestructura tengaundesempeossmico aceptable.9 As pues, el reforzamiento estructural es el proceso que se realiza con el fin de conseguir una respuestaaceptabledeunaestructuraexistenteantelaaccindelasfuerzasssmicas.Este refuerzodependerdelascondicionesenlasqueseencuentralaestructurayseconsigue mediantemodificacioneseneldiseoomediantecambiosyrefuerzosenloscomponentes estructurales10. Por lo tanto, no existe una nica solucin que logre el objetivo establecido, sino queestadependedelosmaterialesdeconstruccinydelincrementodecapacidaddecarga requerido. Dentrodelasmedidasestructuralestradicionalesnecesariasparagarantizarunadecuado desempeossmicoseconsideran; lastcnicasde rigidizacinylas tcnicas parareducirla demandassmica.Estastcnicasseimplementanatravsdelainclusindeelementos adicionalescomomurosdecorte,prticosarriostrados,reforzamientodevigasycolumnas, entre otros.En la siguiente seccin se dar a conocer ciertas tcnicas de reforzamiento tradicional utilizadas en la construccin, las cuales dependen de las solicitaciones y del diagnstico estructural de la edificacin. 1.2.1.Reforzamiento de Columnas El reforzamiento de las columnas tiene como objetivo principal proporcionar a la edificacin un mejor comportamiento ssmico, es decir, en el anlisis estructural se debe evitar tener una falla frgil,sobretodoenelementosestructuralesquecumplenunrolfundamentaldentrodela configuracin estructural como son las columnas.Seconsideracomoreforzamientodecolumnasalaumentodeseccintransversaldeestos elementos, para as, incrementar la ductilidady evitar tener una falla frgil por cortante. Este mtodoseaplicaalasestructurasquenocuentanconsuficientesmurosdecorteyalas columnas que posean una resistencia ltima menor al corte con respecto a su resistencia ltima a flexin. 9 Cfr. Vega 2008:10 10 Cfr. De la Torre 1994:5UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.18 El reforzamiento de columnas tambin se usa para compensar la rigidez de la estructura en caso de que haya una mala ubicacin de muros, ya que esto ocasionara una desigualdad de fuerzas cortantes a nivel de anlisis.1.2.2.Prticos Arriostrados Segn la Norma Peruana E070 de Albailera, del Reglamento Nacional de Edificaciones, el arriostre se define como: Elemento de refuerzo (horizontal o vertical) o muro transversal que cumple la funcin de proveer estabilidad y resistencia a los muros portantes y no portantes sujetos a cargas perpendiculares a su plano. (Per 2010: 445) Es decir, se llama arriostre al elemento de refuerzo estructural diagonal que se inserta en las reasrectangularesdeunmarcoestructural(prtico).Losarriostressonempleadospara rigidizar la estructura, y se usan habitualmente en estructuras de acero laminado para limitar los desplazamientos de entrepiso; Sin embargo, tambin se ha utilizado en estructuras de concreto armado, donde se combinan prticos dctiles de concreto con diagonales metlicas.Lasdiagonalesusadaspararigidizarprticosenconcretoarmadooacerosedenominan concntricas y las usadas para el acero estructural se denominan excntricas. Una diagonal es concntrica cuando sus dos extremos llegan a las conexiones entre viga y columna del prtico, y es excntrica cuando uno de sus extremos llega a un punto sobre la viga alejado de la conexin viga columna.11 Los arriostramientos laterales presentan diversas tipologas, en todas se debe dimensionar las diagonales para evitar una falla frgil por pandeo debido a las elevadas compresiones.12 Por lo tanto,paraundiseoconvencionalelsistemaestructuraldeprticosarriostradosnodebe considerarse de alta ductilidad.Los tipos de arriostramiento se muestran a continuacin y se seleccionan de acuerdo a diversos factores resistentes, funcionales, arquitectnicos y constructivos; en general, se busca limitar los desplazamientos relativosen plantas para resistir las fuerzas laterales que se producenenun sismo. -Diagonalessencillasosimples:cuandoseutilizaunasoladiagonal,estearriostredebe resistir las fuerzas de tensin y las fuerzas de compresin causadas por las fuerzas laterales de sismo cuando estas actan en ambas direcciones sobre un mismo marco. 11 Cfr. Arteto 2008:24 12 Cfr. Bozzo y Barbat 2002:107 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.19 Figura 10. Diagonales sencillas en un prtico.Fuente: Bozzo y Barbat 2002 -Diagonales en cruz: cuando se utilizan dos diagonales, en forma de cruz, estas deben resistir solo las fuerzas de tensin producidas por las cargas laterales, ya que, en este caso, la nica diagonal que acta es la que se encuentra en la direccin de la fuerza lateral y por lo tanto, se encuentra bajo esfuerzos de tensin.11 Dentro de los arriostramientos ms comunes se encuentran los V bracing y los V invertida, como se muestra en la figura 11. Figura 11. Tipos de arriostramiento a) Cruz, b) V invertida y c) V bracing Fuente: Bozzo y Barbat 2002 Otro aspecto a considerar en el sistema de arriostramiento es la distribucin de estos en altura, la seleccin de los arriostres depende de diversos parmetros tales como la intensidad de las cargas ssmicas, el tipo y calidad de cimentacin, el tipo de suelo y las restricciones arquitectnicas. Es recomendable, en zonas de alta sismicidad y suelos blandos, emplear sistemas aporticados sin contar con elementos excesivamente rgidos que concentren la transmisin de cargas o variar su ubicacin en altura. 1.2.3.Muros de corte o placas SegnlaNormaperuanaE060deConcretoArmadodelReglamentoNacionalde Edificaciones, el muro de corte o placa est definido como: Muro estructural diseado para resistir combinaciones de fuerzas cortantes, momentos y fuerzas axiales inducidas por cargas laterales. (Per 2010: 359) UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.20 Paracomplementarladefinicinanterior,sedefinenlasplacasomurosdecortecomo elementos estructurales verticales que se encargan de transmitir, tanto cargas verticales hacia la cimentacin, como cargas horizontales que actan en su mismo plano a los niveles inferiores, adems de soportar los diafragmas horizontales. Las fuerzas horizontales que actan sobre los edificios, por ejemplo, las ocasionadas por viento oporaccinssmica,puedenserresistidasutilizandomurosdecorte,loscualespueden adicionarsesoloconestepropsito.Sinembargo,losmurosdeconcretoqueencierranlas escaleras y los ncleos de ascensor tambin pueden servir como muros de corte, ya que, adems de resistir su propio peso, tambin resisten cargas gravitacionales debido a que en esos lugares mencionados las cargas de diseo son crticas.13 Enestructurasdeconcretoarmadoloselementosmsconocidosyeficacesporsu comportamientosismo-resistentesonlosmurosdecorteo placas,loscualessonempleados como alternativa a los forjados unidireccionales en edificios con luces relativamente similares en dos direcciones. Unadelasventajasdeesteelementoestructuralesque,bajocargaslaterales,nonecesita prticos ortogonales, dado que la placa trabaja como diafragma rgido transmitiendo el cortante a todos los elementos de soporte.14 La funcin de los muros de corte es absorber la mayor fuerza ssmica de laestructura, gracias a sugran rigidez lateral, resistencia alcorte, resistencia a la flexin y buena capacidad de deformacin (ductilidad). Es por esto que el refuerzo con muros de corte es una de las alternativas ms usadas en edificaciones en la actualidad y su diseo es vital para el comportamiento de la estructura.Sinembargo,presentaelproblemadeproducirgrandesconcentracionesdecargaenla cimentacinyafectarelcomportamiento de losdemselementosde laestructura.Anteeste problema, el anlisis y diseo estructural debe estar orientado a relacionar el comportamiento entreamboselementosestructuralesconsiderandolosefectosdelasfuerzashorizontalesde sismo. 1.2.3.1.Clasificacin de Muros de corte Los muros de corte se pueden clasificar de acuerdo a sus dimensiones y comportamiento de la siguiente forma: 13 Cfr. Arroliga 2007:1 14 Cfr. Bozzo y Barbat 2002:93 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.21 a)Muros anchos, dentro de estos se consideran los que su altura no excede la tercera parte de su longitud, y su base se encuentra aproximadamente empotrada. En este tipo de muros, el efecto de la fuerza cortante se considera primaria, los efectos de flexin pueden ascender del 10 al 15% para el clculo de las deformaciones.15 En este caso el muro se comporta como un voladizo vertical empotrado en el suelo. b)Muroesbeltos,estosmurospresentandeformacionesimportantesdebidasalesfuerzo cortanteyesfuerzonormalgeneradoporflexin,yaque,loselementosmecnicos (momentosflectoresyfuerzascortantes)contribuyenaladeformacindelsistemayla interaccinconlosprticosdelaestructuraalteralarigidez.15 Estetipodemurosse comporta como una viga simplemente apoyada. 1.2.3.2.Caractersticas de los Muros de corte Paralaincorporacindemurosdecorteenunaedificacinsedebentenerencuentalas siguientes condiciones: -Configuracin: los muros deben colocarse de manera que la distribucin de rigidez en planta, corte o elevacin sea simtrica y de forma continua (Figura 12) para que la configuracin sea estable y evitar los efectos torsionales. Principalmente, las placas deben estar apiladas desde elprimerpisohastaelltimopiso,consuscuantasdelucessimilaresparaquela distribucin de la rigidez sea homognea. Figura 12. Continuidad estructural Fuente: Eduardo Cabrejos 2010 -Rigidez: para el dimensionamiento se debe cumplir una adecuada relacin entre el alto y el ancho del muro, esto involucra una adecuada esbeltez del muro. Los muros con relacin de esbeltez H/L >2 tendrn un comportamiento marcadamente dctil. Aquellos con relacin de esbeltez H/L entre 1 y 2 son muros intermedios, en los que se requerir tomar precauciones para orientar su comportamiento hacia una falla dctil por fluencia del refuerzo por flexin.

15 Cfr. Lpez 2005:15 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.22 Por ltimo, los muroscon relacionesdeesbeltez H/L 4),sonloselevadosmomentosdevolteoquepuedensuponerlaprdidadeequilibrio. Adems,alincrementarselaalturalasventajasobtenidaalvariarelperododevibracin disminuyen. Los aisladores de neopreno zunchado intercalan placas delgadas de acero en un bloque cbico o cilindrodeneopreno.Surigidezverticalaumentaconsiderablemente,manteniendosu flexibilidadlateral.Estosdispositivosotorganflexibilidadaledificioperosucapacidad disipativa es baja. Se han realizado pruebas con disipador de neopreno zunchado con ncleo de plomo (Figura 14), logrando un aumento de la capacidad disipativa de su precursor que permite unmejorcontroleneldesplazamientodebase.Unsegundogrupodeaisladoresdebase corresponde a los de friccin. Estos trabajan de forma distinta a los aisladores de neopreno, ya quelimitanlafuerzamximatransmitidaalaestructuramedianteelcoeficientedefriccin (Figura 15). Figura 14. Dispositivo de neopreno zunchado con ncleo de plomo Fuente: OLARIU, I., OLARIU, F., and SARBU, D 2000 Figura 15. Aislamiento de base de friccin con placa deslizante plana Fuente: OLARIU, I., OLARIU, F., and SARBU, D 2000 Suprincipalventajaeselcostoynotenerprcticamentelimitacinenlacargaverticalque puede transmitir. Un inconveniente es la modelizacin de la friccin a lo largo del tiempo y en funcin de la velocidad de deslizamiento y de la presin actuante. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.26 Enlasiguientefigura(figura16)semuestraunsistemadeaislamientobasadoenel movimiento pendular del edificio sobre las superficies cncavas de los aisladores de base. Figura 16. Aislador pendular con superficie deslizante cncava Fuente: OLARIU, I., OLARIU, F., and SARBU, D 2000 Elperododelpnduloesconvertidoenmododevibracinfundamentaldelaestructuray depende solamente del radiodecurvatura de la superficiedeslizantedel aislador. El aislador proporciona una rigidez relativa al desplazamiento lateral directamente proporcional al peso de la estructura e inversamente proporcional al radio de curvatura. Uno de los elementos de inters deestedispositivoessucapacidaddeproporcionarperodosydesplazamientoslargos manteniendo su capacidad portante de utilidad ante la presencia de sismos cercanos a la falla, caracterizados por pulsos largos. 1.3.2.2.Control pasivo con sistemas inerciales acoplados El disipador de masa sintonizada (Tuned Mass Damper) consta de los siguientes componentes: -Un oscilador de un grado de libertad. -Un mecanismo de muelle. -Un mecanismo de amortiguamiento. Generalmente se instala en la parte superior de los edificios, y la masa y la rigidez del muelle se determinan de forma que la frecuencia de oscilacin sea la misma que la frecuencia fundamental de la estructura. El TMD tambin es efectivo para reducir la vibracin del viento. La mayor desventaja es que requieredeunagranmasaeimportantedisponibilidaddeespacioparasuinstalacin.Para compensaresteproblemarecientementesehapropuestoelusodecubiertasconaislamiento respectoalaestructurainferiorotanquesdeaguaparaserusadoscomomasaspendulares (Figura 17).UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.27 Figura 17. Concepcin clsica y con tanques de agua del TMD Fuente: Soong y Spencer 2000 Otroinconvenientedelsistemaesquesuefectividadsereduceaunabandaestrechade frecuencias cercanas al perodo fundamental del edificio, y pueden presentarse situaciones en las que el edificio se site fuera de su perodo fundamental. Enunedificioesbeltosepuedenmanifestarcondistintaintensidadmodosdevibracin diferentesalfundamental,enfuncinalascaractersticasdelaexcitacin.Durantesismos severos la estructura se puede llegar a comportar plsticamente, incrementando el perodo de la estructura y aportando una prdida de sintona con el TMD. 1.3.2.3.Control pasivo con disipadores de energa Los disipadores de energa se pueden clasificar en disipadores histerticos y viscoelsticos. Los dispositivoshisterticossondispositivosquedependen bsicamentedeldesplazamientoyse basan en: -La plastificacin de metales por flexin, cortante o extrusin. -Friccin entre superficies. Mientras que, losdisipadores viscoelsticos secomportanfundamentalmentedeacuerdoa la velocidad, pueden basarse en: -Slidos viscoelsticos -Fluidos conducidos a travs de orificios -Fluidos viscoelsticos. Lasinvestigacionesydesarrollosdelosdispositivospasivosdedisipacindeenergapara aplicaciones estructurales tienen aproximadamente 30 aos de historia. La funcin bsica de los dispositivos pasivos de disipacin de energa cuando son incorporados a la superestructura de un edificio es la de absorber una parte de la energa de entrada, para de esta manera reducir la UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.28 demanda de disipacin de energa en los miembros primarios estructurales y reducir el posible daoestructural21.Estosdispositivospuedensermuyefectivoscontralosmovimientos inducidos por los vientos as como tambin aquellos inducidos por los sismos. Contrariamente a lossistemasactivos,lossistemaspasivosnorequierendesuministroexternodeenerga elctrica. En los ltimos aos, serios esfuerzos se han realizado para desarrollar el concepto de disipacin de energa o amortiguamiento suplementario dentro de una tecnologa trabajable, y un nmero de estos dispositivos han sido instalados en estructuras en varias partes del mundo22.Mientras estas tecnologas presentan un incremento importante en el rol que juegan en el diseo estructural, la presente tesisest limitada, solamente, a los sistemas pasivos de disipacinde energadefluidoviscoso.Losdisipadoresdefluidoviscosotienenlahabilidaddereducir simultneamentelosesfuerzosylasdeflexionesenlaestructura.Estoesdebidoaquelos disipadores de fluido varan su fuerza solamente con la velocidad, la cual provee una respuesta que es inherentemente fuera de fase con los esfuerzos debido a la flexibilidad de la estructura. Otros disipadores pueden normalmente ser clasificados como histerticos, donde una fuerza de amortiguamiento es generada bajo una deflexin, o los viscoelsticos que son disipadores con un complejo resorte combinado con un amortiguamiento. Inclusive en estos disipadores no fluidos tienen elementos de fluencia, friccin, rtulas plsticas. Ninguno de estos dispositivos tiene una respuesta fuera de fase debido a esfuerzos estructurales de flexin. Esto es simplemente porque estos dispositivos son dependientes de otros parmetros aparte de la velocidad. Los disipadores no fluidos disminuirn las deflexiones en la estructura peroalmismotiempoincrementanlosesfuerzosenlascolumnas.Losesfuerzosenlas columnas tienen su mximo cuando el edificio llega a su deformacin mxima. Si se adiciona un disipador de fluido viscoso, la fuerza de amortiguamiento se reduce a cero en este punto de mximadeformacin.Estoesdebidoaquelavelocidaddeldisipadorsetornaceroeneste punto. 21Cfr. Popov y Gregorian 1994:42 22Cfr. Whittaker 2000:37 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.29 1.3.3.Edificaciones Importantes con Disipadores de Energa LosngelesCityHall,Losngeles,USAposee450aisladoreselastomtricos,70apoyos deslizantes y 70 amortiguadores viscosos. Figura 18. Los ngeles City Hall, Los ngeles, USA Fuente: Divisin, Difusin y Comunicaciones SIGWEB - Chile La Torre Mayor, Mxico es el primer edificio en Latinoamrica en contar desde su diseo con enormesamortiguadoresssmicos.Estaestructuradeaceroyconcretocuentacon98 amortiguadores ssmicos que reducen al mnimo su desplazamiento durante un sismo, en teora, el edificio puede soportar un sismo de 8.5 grados en la escala de Richter. Figura 19. Torre Mayor - Mxico Fuente: Arquigrfico (http://www.arquigrafico.com) UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.30 Figura 20. Torre Mayor - Mxico Fuente: Arquigrfico (http://www.arquigrafico.com) EdificioTitaniumenChile(Figura21) eselsegundo rascacielos msalto de Chile.La edificacin tiene una pre certificacin del Consejo Norteamericano de Edificios Verdes, LEED, que reconoce el esfuerzo de sus desarrolladores por construir un edificio sustentable, que respete el medio ambiente y mejore la calidad de vida de sus usuarios. Adems, soporto el sismo del 2010 de 8,8 en la escala de Richter. Figura 21. Edificio Titanium - Chile Fuente: Titanium LTDA UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.31 EnlarehabilitacindelAeropuertoJ orgeChvezdeLima,Per(Figura22)secolocaron disipadores de energa viscosos. Figura 22. Rehabilitacin de la Torre del Aeropuerto Internacional Jorge Chvez Fuente: Corporacin Peruana de Aeropuertos y Aviacin Comercial CentroEmpresarialReducto,Lima(Figura23)eselprimeredificiodeoficinasquecuenta con disipadoresdeenergassmica.Adems,cuentacon14pisosdeoficinasconunrea 1,030m2 aproximadamente, 02 locales comerciales y 05 oficinas por piso. Tambin, cuenta con ms de 250 estacionamientos adicionales para discapacitados de visitas divididos en 07 stanos. Figura 23. Centro Empresarial Reducto Fuente: Gerpal UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.32 1.4.DISIPADORES PASIVOS DE FLUIDO VISCOSO Uno de losmecanismosmseficientes para aadircapacidad dedisipacin deenerga auna estructura es mediante el uso de dispositivos de fluido viscoso. Un disipador de fluido viscoso es un dispositivo que disipa energa aplicando una fuerza resistiva a un desplazamiento finito.La fuerza de salida del disipador es resistiva, y acta en la direccin opuesta al movimiento de entrada. Debido a que el disipador se comporta de acuerdo a las leyes de la mecnica de fluidos, elvalordelafuerzaresistivavaraconrespectoalavelocidadtraslacionaldeldisipadoren cualquier punto en el tiempo. Como se muestra en la Figura 24, este mecanismo disipa energa transfiriendo un fluido a travs de un orificio, produciendo una presin de amortiguamiento. Figura 24. Disipador de Energa de Fluido Viscoso.Fuente: Taylor 2002 Losdisipadoresdefluidoviscososonesencialmentemecanismos llenosdefluidoelcuales capazdemantenerseen servicio durantegrandes perodos de tiempo sinmantenimiento. Los requerimientos de los materiales empleados son que estos deben ser resistentes a la corrosin, resistentes al desportillamiento, libre de esfuerzos de ruptura, y alta resistencia al impacto. Esto es especialmente cierto para el cilindro del disipador, el cual debe resistir esfuerzos triaxiales. En la industria americana variosestndaresdematerialesexisten, dediversasorganizaciones independientes. Algunas de estas organizaciones se muestran a continuacin: -Sociedad de Ingenieros Automovilsticos Aerospace Materials Specifications (AMS). -Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos ASME Standards. -DepartamentodeDefensadelosEstadosUnidos,MILHandbook5,Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures. -NASA, Goddard Space Flight Center Materials Selection Guide. Por muchos aos, estos dispositivos han sido utilizados en muchas aplicaciones, entre las que se encuentra el control de vibraciones en sistemas aeroespaciales y de defensa en Estados Unidos, UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.33 dondefueevaluadoconxitodurantemuchasdcadas.Unodelosusosquehasidobien documentadofuehechoporinstitucionesmilitaresparaexaminarsuusoencaonesdealto calibre.Bsicamente, un amortiguador viscoso es comparado a los amortiguadores de los automviles, con la diferencia que los utilizados en estructuras operan en un rango de fuerzas mucho mayor y sonconstruidosenaceroinoxidableyotrosmaterialesextremadamenteduraderosloscuales tienen una duracin de por lo menos 40 aos23. El presente trabajo tratar sobre los principios bsicos de la disipacin de energa pasiva, as como su modelamiento matemtico y diseo. As mismo, se debe enfatizar que esta tecnologa seencuentraactualmenteevolucionando.Mejorassignificativasenlosprocedimientosde anlisis y diseo continuarn en los aos futuros. 1.4.1.Ecuacin General La ecuacin simplificada de este tipo de dispositivos es la siguiente: F =CI Donde: F: Fuerza de amortiguamiento del disipador. C: Coeficiente de amortiguamiento del dispositivo. V: Velocidad relativa entre los extremos del amortiguador. : Coeficiente que vara entre 0.4 y 0.6 para edificaciones. 1.4.1.1. Coeficiente de Amortiguamiento El coeficiente de amortiguamiento es la constante de amortiguamiento del dispositivo y depende de las propiedades del fluido inmerso dentro del dispositivo de disipacin. Amortiguadores LinealesUn valor inicial estimado del coeficiente de amortiguamiento C para dispositivos lineales, es decir, con elexponente de lavelocidad igual a launidad,puedeobtenersecon la siguiente ecuacin:[sc. =I]C]]2 Cos0]24nm2 23 Cfr. Arroyo 2004:51 UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.34 Donde:visc: Amortiguamiento Viscoso Objetivo.T : Perodo fundamental de la estructura.i: Desplazamiento modal del piso i, correspondiente al modo fundamental de vibracin.rj: Desplazamiento relativo del modo de vibracin fundamental.j: ngulo de inclinacin del disipador, con respecto a la horizontal.mi: Masa de entrepiso. Esta frmula considera un coeficiente de amortiguamiento constante para todos los dispositivos. Sin embargo, se conoce experimentalmente que la eficiencia de los amortiguadores en los pisos superiores es menor que la que se presenta en los niveles inferiores debido a la importancia de los primeros modos.Amortiguadores No LinealesUn valor inicial estimado del coeficiente de amortiguamiento C para dispositivos no lineales, es decir, con el exponente de la velocidad distinto a la unidad, la FEMA sugiere la siguiente ecuacin:[sc. =]zC]]1+uCos0]1+u2nA1-uw2-um2 Donde:: Valores tabulados por la FEMA 274Exponente ""Parmetro " " 0.253.7 0.503.5 0.753.3 1.003.1 1.253 1.502.9 1.752.8 2.002.7 : Amplitud del desplazamiento del modo fundamental de la estructura.W: Frecuencia angular fundamental de la estructura ( = 2f).: Exponente de velocidad. UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASLaureate International Universities Pg.35 1.4.1.2. Exponente de velocidad Elexponentedevelocidaddescribeelcomportamientohisterticodelosdisipadores;en otras palabras propone la disposicin de los lazos histerticos. Este exponente define la reaccin del dispositivo ante los impactos de velocidad.24 Elvalorexactodedependedelaformadelacabezadelpistn (componente del disipador). Paraelcasodeedificacionesserecomiendaelusode