MSC. ING. Ricardo Oviedo Sarmiento INGENIERO ESTRUCTURAL

 

 

 

 

MEJORAMIENTO DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE COLEGIOS UTILIZANDO DISIPADORES DE ENERGIA


Ing. Ricardo Oviedo Sarmiento 

Especialización Ing. Sismorresistente - UNI

Maestría Ing. Estructural - UNI

Palabras Clave: Reforzamiento, Sismorresistente, Colegios, Disipadores, Concreto Armado.



Resumen.

 

El presente trabajo de investigación propone un reforzamiento que mantendrá la apariencia de la estructura y el adecuado comportamiento de la respuesta sísmica de la misma, las cuales han sido las principales consideraciones para establecer el diseño del reforzamiento.

Esta es una estructura que se encuentra ubicada en la ciudad de Lima, Perú. El edificio es esencialmente una estructura de concreto armado aporticada, la cual es flexible en su dirección longitudinal (eje Y) en todos sus niveles, y rígida en el sentido transversal (eje X). La opción considerada para el reforzamiento incluye el uso de disipadores de energía en todos los niveles en la dirección longitudinal (eje Y), debido a su excesiva flexibilidad.  Se escogió esta opción debido a que el uso de muros de concreto armado obstruye la ventilación e iluminación de los ambientes, así como la inclusión de masa adicional al sistema.

Se realizó en el presente estudio para obtener la información necesaria los siguientes análisis: análisis espectral, tiempo historia lineal y tiempo historia no-lineal con la inclusión de los disipadores de energía.

La utilización de los disipadores de energía dio como resultado la disminución de los momentos y las distorsiones en el eje Y, en todos los niveles de la estructura. La adición de los disipadores de energía demostró sus ventajas en el mejoramiento del comportamiento sísmico, así como mantener la apariencia de la estructura, tal como fue el objetivo planteado.

Esta investigación presenta resultados de una estructura típica, ilustrando el proceso, el criterio del reforzamiento y el proceso de diseño para las demandas sísmicas; así como la  mejora de la respuesta de la estructura, manteniendo las  consideraciones arquitectónicas.

 

1      INTRODUCCIÓN

El reforzamiento sísmico de edificios existentes es una de las partes mas interesantes de la ingeniería estructural. Las estructuras existentes en particular incrementan la complejidad de la rehabilitación, porque existen estrictos requerimientos arquitectónicos. La norma y los métodos convencionales no son aplicables, los ingenieros deben ser creativos para solucionar los problemas de reforzamiento.

En los sismos anteriores, los conceptos fundamentales de ingeniería sismorresistente,  ponen en cuestionamiento el comportamiento dúctil de las estructuras. Las estructuras que cumplían con los códigos fueron dañadas. Los disipadores de energía pueden eliminar o reducir la deformación plástica de los miembros, y disminuir la incertidumbre del comportamiento no-lineal de la estructura.

Esta investigación presenta los resultados de una estructura ilustrando el proceso y las decisiones del reforzamiento sísmico de una estructura aporticada de concreto armado de 3 niveles.

2    DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA

La estructura es un edificio de 3 pisos de concreto armado. El área es de 7.45 m x 23.25 m, con un pasadizo en voladizo en el segundo y tercer nivel de 2.325 m, y el área total es del primer y segundo nivel es de 227.3 m2 y el tercer nivel tiene 173.2 m2. con una altura total de 10.0 m. El uso del edificio es para colegios ubicados en Lima.

No se realizaron ensayos de laboratorio para conocer las características de los materiales. Se ha considerado a los elementos homogéneos. La resistencia a la compresión del concreto de las columnas, vigas y placas es de f'c=210 kg/cm². Con un módulo de elasticidad del concreto de 15000 √f´c kg/cm². Además, se consideró un peso unitario del concreto de 2400 kg/. Las losas son aligeradas de 20 cm de espesor. El esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo es de 4200 kg/cm², y Es= 2x106 kg/cm²

En la dirección X-X, se ha considerado una resistencia de la mampostería de f'm=64 kg/cm² con un f'b=100 kg/cm², que es la resistencia equivalente de muros con ladrillo industrial. Con un módulo de elasticidad de la mampostería de 32000 kg/cm².

Se utilizaron columnas rectangulares de 40 x 60 cm y vigas de 25 x 45 cm para los ejes X con muros de ladrillo y columnas rectangulares de 40 x 60 cm y vigas de 30 x 70 cm para los pórticos libres del eje X. Las vigas de los ejes longitudinales (eje Y) fueron de 25 x 45 cm. Las luces a cubrir eran de 7.0 m. El techo era una losa aligerada de 20 cm de espesor armada en una dirección.

La estructura no tiene elementos rigidizantes en el sentido Y, excepto por la columnas de concreto armado de 2400 cm². Este tipo de estructura en el sentido longitudinal Y es definida como flexible. El peso total de la estructura es de 726.6 Tn.

Se aprecia las características del modelo empleado de la estructura en la Figura 2.1:

 

Figura 2.1 ESTRUCTURA ANALIZADA

 

3      CRITERIO DE REFORZAMIENTO SÍSMICO

La opción de reforzamiento con disipadores de energía mantiene la apariencia del edificio y mejora el comportamiento sísmico del mismo.

El criterio del reforzamiento esta basado en las NTE 030-97 de diseño sismorresistente1. El diseño del reforzamiento tiene como objetivo prevenir el colapso de la estructura, y disminuir los daños importantes a los elemento estructurales y no estructurales, pero considerando algún daño no estructural.

El espectro de diseño que la  NTE 030-97 emplea tiene una probabilidad de excedencia de 10% para un periodo de 50 años. Se realizaron análisis espectrales y tiempo-historia en cada dirección de la estructura, considerando las características dinámicas.

4       PELIGRO SÍSMICO               

Según la historia sísmica de Lima, los sismos mas importantes  han sido el de Oct-1966 con una aceleración de 269.3 cm/s/s y el de Oct-1974 con una aceleración de 192.5 cm/s/s.

Se considero el registro sísmico del 10/17/1966 componente N08E, con A=269.34 cm/s/s, V=21.6 cm/s, D=16.6 cm, con una duración de 65.6 s. Tal como se muestra en el figura 4.1:

 

 

Figura 4.1 REGISTRO DE ACELERACIONES OCT-1966 COMP N08E

 

 

Se amplifico por el factor de 1.4853 x 1.5 = 2.23, el primero para amplificarlo a 400 cm/s/s para llegar a la aceleración de la NTE E030-97 y el segundo debido a U=1.5 de la Norma. Se adopto considerar el registro sísmico de mayor aceleración, amplificándolo a una aceleración PGA de 0.6 g a utilizarse en el análisis tiempo historia de la estructura a reforzar.

5       ESPECTRO DE LA NORMA PERUANA NTE E-030 1997

CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL: Regular

Edificación de 3 niveles

SISTEMA ESTRUCTURAL:

Dirección X-X                      R = 6                     

Dirección Y-Y                      R = 10                   

ANÁLISIS DINÁMICO:

Factor de zona:                    Z = 0.4    (Zona 3)

Categoría de la edificación: U = 1.5  (Edificación Esencial)

Factor de amplificación suelo: S = 1.0 (Suelos Rígidos)

Período predominante de la plataforma: Tp = 0.4 s

Factor de amplificación sísmica: C = 2.5