|
"BALANCE
ENERGETICO EN ESTRUCTURAS TRIDIMENSIONALES DE CONCRETO ARMADO"
1.1
GENERALIDADES
El
propósito de las previsiones sísmicas es la de primeramente evitar grandes
daños estructurales, pérdidas de vidas humanas y mantener el funcionamiento
de la estructura. Esto es lo que menciona la Norma UBC 1997, esto se debe
al carácter económico: una estructura dúctil presenta aceleraciones
absolutas inferiores y también esfuerzos menores a las producidas en comportamiento
lineal y elástico y conduce a secciones de menor dimensión. El estado del
arte en protección sísmica demanda prudentes y conservadoras prácticas en
el proyecto (07, 25, 30):
-
El sistema resistente
estructural debe tener una configuración regular y continua.
-
El sistema
completo debe ser redundante, con sistemas resistentes primarios y de
reserva.
-
El diseño debe ser
inherentemente simple, fácil de analizar, fácil de construir y con un costo
efectivo.
La energía total introducida por el sismo a la
estructura Ei,
puede ser absorbida por la suma de la energía cinética Ek,
energía de deformación elástica Ede, energía
disipada a través de deformaciones plásticas Eh, y amortiguamiento viscoso
equivalente Ev. La ecuación de energía es la
siguiente:
Ei = Ek + Ede +
Eh + Ev
(1.1)
La
energía de vibración elástica es la suma de la energía cinética y la
energía de deformación elástica. Si se supone que para una estructura la
energía de entrada Ei tiene un valor constante,
para lograr un diseño sismorresistente económico será necesario en la
ecuación anterior disipar parte de la energía total introducida a través de
un comportamiento inelástico, es decir, amortiguamiento viscoso Ev o histerético Eh, o una combinación de ambos.
Para tomarlo en cuenta los códigos
han introducido de alguna forma este efecto, de manera de reducir la fuerza
sísmica, aceptando que la estructura se comporte inelásticamente.
En este aspecto la Norma Peruana de
Diseño Sismorresistente (56) establece que el cortante basal V es un factor del peso W de la
edificación de la forma:
V = F W (1.2)
Donde F es
el factor que esta en función de la zona Z, del suelo S, de la categoría de
las edificaciones U, del factor de amplificación sísmica C y del
coeficiente de reducción de solicitaciones sísmicas R, tal como lo expresa
la siguiente ecuación:
F = Z U S C (1.3)
R
La
ecuación anterior puede ser expresada de la forma:
C = Z U S Cr (1.4)
Donde
Cr = C/R, este factor sería equivalente al nivel
de aceleraciones de un espectro para diferentes valores de ductilidad, que
en este caso se obtendría de dividir el espectro elástico entre el factor
de reducción por ductilidad requerido, ese es el llamado espectro
inelástico de aceleraciones.
La Norma Peruana señala que los
desplazamientos calculados deben ser multiplicados por el valor de R para
obtener las deformaciones inelásticas.
El espectro utilizado en el diseño
debe reflejar las características de la región. Esto implica que debe ser
obtenido a partir de registros de eventos sísmicos de la zona. El espectro
de diseño es presentado a través de un espectro suavizado, debido a que
resulta bastante simple su obtención y su uso por los diseñadores.
El diseño convencional adoptado de
forma común por las normas sismorresistentes se basa en los conceptos de
ductilidad. La Norma UBC 1997 propone expresiones basadas en fundamentos
dinámicos e información experimental, las cuales facilitan el cálculo de
unas fuerzas estáticas equivalentes. Estas incluyen reducciones con
respecto a las correspondientes a un comportamiento lineal y elástico en
función de la ductilidad, atribuible a la tipología estructural empleada.
En caso de edificios que presenten irregularidades, se permite la
determinación de las fuerzas estáticas equivalentes a través de un análisis
dinámico con comportamiento elástico. La misma norma admite el uso de
análisis dinámico no lineal en el tiempo, sin embargo resulta un proceso
poco viable; debido a que se exigen datos experimentales contrastados que
avalen los análisis realizados, y una posterior revisión del sistema
estructural por un equipo de ingenieros especialistas en las disciplinas
implicadas en los métodos de análisis utilizados.
El daño estructural debido a eventos
sísmicos pasados, ha obligado a
cuestionar la efectividad de las estructuras convencionales y los métodos
de análisis empleados para valorar su respuesta (26). Por ejemplo se ha
cuestionado lo siguiente:
-
La imposibilidad
de determinar a priori la demanda de ductilidad ante un evento sísmico y
donde se va a producir.
-
La presencia de
fallas frágiles en sistemas supuestamente dúctiles.
-
El elevado costo
de reparación que supone un comportamiento dúctil basado en una disipación
de la energía en el seno estructural.
Actualmente el diseño sismorresistente tiene la
tendencia de buscar sistemas que localicen la demanda de ductilidad en
elementos predeterminados. Esto obviamente supone claras ventajas:
-
Resulta más
factible garantizar la demanda de ductilidad.
-
El control de calidad en los materiales y en
ejecución puede ser más intenso en las zonas donde se establece la oferta
de ductilidad.
-
El daño resulta
más previsible y la reparación más económica que en los sistemas basados en
el daño estructural disperso.
Algunos sistemas proponen que la oferta de
ductilidad resida en zonas de la propia estructura, como es el caso de los
pórticos excéntricos. Otra posibilidad consiste en el empleo de disipadores
de energía externos a la estructura. Si bien forman parte del sistema
estructural, se emplean como nexo y ello permite su fácil restitución en
caso de sufrir daño.
Balance Energético
Se
evaluó la estructura mediante el software disponible bajo el enfoque del
análisis dinámico, que permita conocer la energía almacenada y disipada en
la estructura.
En las figuras 19 y 20, se
presenta la energía del sismo y los distintos tipos de energía, tales como
la Energía Kinética, Energía Potencial, de Amortiguamiento Modal y del
Disipador. Se presentan estas energías para la estructura inicial y para la
estructura con disipadores.
En los gráficos se presenta
la energía de amortiguamiento modal, que fue especificada en 5% del
amortiguamiento crítico. Esta energía es importante para compararla con la
cantidad de la energía disipada por los disipadores de energía a
utilizarse. Esto es importante por que la disipación de energía influye en
el daño estructural.
Se puede advertir que la
energía kinética y la energía potencial presentan un bajo porcentaje de la
energía del sismo y son más importantes entre los 4.7 y los 10 segundos
aproximadamente. Entonces la energía disipada por la estructura debido a la
deformación plástica es de mayor significación que estas energías.
Se
demuestra gráficamente la modificación del comportamiento estructural del
sistema con la inclusión de los disipadores de energía. Se muestra la
distribución de la energía de entrada en el tiempo. Los disipadores de
energía, disipan una gran cantidad de la energía, dejando una parte a ser
disipada por la acción inelástica de los elementos de concreto de la
estructura.
Figura
19 ENERGÍA EDIFICIO CON DISIPADORES
Figura
20 ENERGÍA EDIFICIO CON DISIPADORES
|
