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SISTEMAS DE
PROTECCIÓN SÍSMICA
DR. GENNER VILLARREAL CASTRO PROFESOR VISITANTE USFX, UTO, UPSA, UPB – Bolivia
PROFESOR VISITANTE ULEAM – Ecuador
PROFESOR VISITANTE UPeU – Perú
PROFESOR EXTRAORDINARIO UPAO, UPN
PREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008
DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO
AISLADORES CON NÚCLEO DE PLOMO
DISIPADOR DE
FLUÍDO VISCOSO
SPS POR NORMA E030-2016
VENTAJAS DE UTILIZAR LOS DISIPADORES DE ENERGÍA
VENTAJAS
TÉCNICAS
VENTAJAS
FUNCIONALES
VENTAJAS
ECONÓMICAS
Reducen los
desplazamientos de la
estructura.
Disipan entre un 20%
y 40% la energía
sísmica.
Reducen fuerzas de
diseño sísmico .
Ideales para
aplicaciones en
edificios nuevos y
también para
reforzamientos.
Estéticos.
Fácil montaje e
instalación.
Retornan a su posición
inicial luego de un
sismo severo.
• Calibración post
sismo.
• Permiten reducir
volumen de concreto y
acero con menores
espesores de placas,
columnas y vigas.
• Disminuyen daños en
equipamiento y
elementos
no estructurales.
EDIFICIO REDUCTO
PREMIO NACIONAL
ANR 2008
SISTEMAS CON DISIPADORES DE ENERGÍA
Disipadores de energía
Dependientes del
desplazamiento
Dependientes de
la velocidad
Dependientes del
desplazamiento y la velocidad
Viscosos Histeréticos
Fluido viscosos Fricción Plastificación
Viscoelásticos
Sólido Viscoelástico Fluido Viscoelástico
Flexión
Corte
Torsión
Extrusión
Fuente : Norma ASCE 7-10 / Cap.18 Disipador metálico ADAS
TAYLOR Y EL FUNCIONAMIENTO DE LOS DISIPADORES
Pistón Cilindro Fluido de Silicona
compresible
Cabeza del pistón
(con orificios)
Cámara 2 Cámara 3
Cámara 1
Cámara de estancamiento Fluido compresible
Entrada principal
Entrada Secundaria
Corte de un disipador viscoso
Detalle de la cabeza del pistón
Funcionamiento de los
disipadores viscosos
Factor de reducción de respuesta (B)
RELACION DAÑO-DERIVA SEGÚN METODOLOGIA HAZUS
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (s)
Ace
lera
ción (
cm/s
2)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 0.5 1 1.5 2
Periodo (s)
Pse
ud
o a
cele
raci
on
esp
ectr
al (
cm/s
2)
1RdiseñodeespectroEscalar
análisisdecasoimerPr
análisisdecasoSegundo
MODELAMIENTO DE LOS DISIPADORES
Rigidez del brazo metálico(K)
Coeficiente de amortiguamiento(C)
E: Coeficiente de Elasticidad del Acero.
A: Área de la sección del brazo metálico.
L: Longitud del brazo metálico.
Se calcula en base a un amortiguamiento objetivo
Su valor se fija usualmente en 0.5 para viscosos
SAP 2000 / ETABS Modeling
CALCULO DEL COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO C
Ecuaciones del Fema 273 y 274
Seismic Design of Structures with
Viscous Dampers
ESCALAMIENTO DE ACELEROGRAMAS AL ESPECTRO DE DISEÑO
Tiempo (s) Vs Aceleración (cm/seg2)
Periodo (s) Vs Aceleración (cm/seg2)
Sismomatch versión 2.1.0
Nº Coeficiente de
amortiguamiento
(T.s/m)
Exponente de
amortiguamiento
Rigidez
(T/m)
Fluencia
(T)
Radio de
rigidez
post-
fluencia
Exponente
de fluencia
VD 10,85 0,5 54,25 - - -
VE 177,65 1,0 882,43 - - -
FD - - 25007,5 2,9 0,000 0,5
YD - - 2500 3,25 0,025 2,0
Edificio sin disipadores
Edificio con disipador viscoso
VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO HISTERÉTICO
El comportamiento
histerético del disipador D6
no se ajusta al esperado .
Verificación de derivas
Se puede ver un ligero incremento
en los desplazamientos de cada
nivel, así mismo la deriva máxima
de entrepiso se incrementó 0.07‰,
lo cual demuestra que efectivamente
solo se requería de una arreglo
diagonal en el primer nivel en lugar
de un arreglo en doble diagonal.
0
1
2
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Desplazamientos (cm)
Pis
os
VD SD VE FD YD
32
36
40
44
48
SD VD VE FD YD
Modelos Dinámicos
Mom
ento
fle
ctor
(T.m
)
Estos dispositivos fueron agrupados por sus niveles de fuerza para así poder ser
enviados a la fabricación (Tabla 85)
Disipadores
al fondo del
edificio
PRECIOS UNITARIOS DE LOS DISPOSITIVOS
Los disipadores viscosos Taylor tienden por lo general a presentar una baja
incidencia económica en el presupuesto total de los proyectos donde son
implementados.
CDV Representaciones, empresa importadora y comercializadora de productos
especializados para la construcción, es la representante de la marca Taylor en el
Perú. Para poder determinar el costo de cada disipador, esta empresa solicita la
siguiente información:
Además recomienda que para el diseño de los dispositivos se hayan tenido
en cuenta las recomendaciones del ASCE 7-10 (Capitulo18), y que los
registros tiempo historia empleados estén acorde a la realidad del proyecto(es
decir tomados en un suelo S3 – Chiclayo), señala que estos registros deben
de haber sido escalados adecuadamente al espectro de diseño (considerando
las condiciones de importancia, tipo de suelo, etc.)
Para este trabajo se tomaron en consideración las recomendaciones
señaladas; de esta manera para el cálculo de costos se cuenta con los
siguientes resultados del diseño.
4)Máximo Stroke
El máximo stroke es el desplazamiento máximo que obtenemos en los dispositivos,
este dato es empleado para el diseño de la cámara de acumulación.
Este valor se puede obtener evaluando las curvas hiteréticas de cada disipador, en
este caso, el máximo stroke se encuentra en el dispositivo 4 (ver figura180)
Por lo general el fabricante maneja un factor de seguridad estableciendo
usualmente el stroke en 5cm
6)Indicar la disposición del disipador (diagonal, doble diagonal, Chevron)
Disposición diagonal para los disipadores del primer nivel
Disposición doble diagonal para los disipadores del 2-5to nivel
7)Cantidad de dispositivos(ver tabla 85 - diapositiva 39)
En total 27 dispositivos, 6 de 110KIP y 21 de 165KIP
- Los precios incluyen capacitación/asesoría en obra para la correcta colocación y
montaje de los disipadores sísmicos.
- Los precios NO incluyen diagonales metálicas ni anclajes embebidos, ni ningún otro
accesorio metálico complementario.
- Los disipadores sísmicos cotizados cuentan con protección anticorrosiva para uso en
interiores.
-La Garantía del fabricante es de 35 años
- Cualquier cambio en las cantidades implicará un cambio en los precios.
-La validez de la oferta es de 30 días.
AISLADOR CON
NÚCLEO DE PLOMO
El proyecto "Edificio
Corporativo GyM“
(Miraflores - Lima),
consiste en la
construcción de un
edificio de oficinas, este
consta de 4 sótanos, 7
pisos y una azotea.
Datos técnicos:
Área techada:
17,233m2.
Área del terreno:
1,698.75 m2.
Núcleo de Plomo
El proyecto “Nuevo
Campus UTEC“
(Barranco - Lima),
consiste en la
construcción de un
edificio educativo, este
consta de 2 sótanos y 10
pisos.
Datos técnicos:
Área techada:
33,945,50 m2.
Área del terreno:
14,692.50 m2.
Inversión: 35 millones
El proyecto “Centro de
Información e
Investigación de la
FIC - UNI“ (Rímac -
Lima), consiste en la
construcción de un
edificio educativo, este
consta de 8 pisos.
Datos técnicos:
Área techada: 4,800
m2.
Núcleo de Plomo
El proyecto “Edificio
Multifamiliar Madre”
(Miraflores- Lima),
consiste en la
construcción de un
edificio de viviendas
multifamiliar, este
consta de 17 sótanos.
Datos técnicos:
Área total: 1200 m2
33 aisladores HDR
EDIFICIOS AISLADOS EN LIMA
.
Amortiguamiento efectivo
(% del crítico)
Coeficiente
MB
≤2 0,8
5 1,0
10 1,2
20 1,5
30 1,7
40 1,9
≥50 2,0
G = 0,4 a 0,7MPa
Fuerza Cortante Mínima para diseño de los elementos
X Y V estático 3749.146 3749.146
V dinámico 2504.789 2823.010 80% V estático 2999.317 2999.317
Nuevo factor de Escala
1.1974 1.0624
Verificación de resultados • Derivas de entrepiso:
Dirección X
Piso Altura Desp.
Der. Elásti.
Der. Inelás. Der.
Límite ¿Cumple? m mm Δ/h elástica
Δ/h inelástica
(‰)
Δ/h límite
(‰)
8 3.8 36.9680 1.2845 5.780 7 Si 7 3.8 32.0870 1.3795 6.208 7 Si 6 3.8 26.8450 1.4129 6.358 7 Si 5 3.8 21.4760 1.4258 6.416 7 Si 4 3.8 16.0580 1.3653 6.144 7 Si 3 3.8 10.8700 1.2124 5.456 7 Si 2 3.8 6.2630 0.9879 4.446 7 Si 1 5 2.5090 0.5018 2.258 7 Si
Base - 0 - - -
Dirección Y
Piso Altura Desp. Der. Elásti. Der. Inelás.
Der. Límite ¿Cumple?
m mm Δ/h elástica Δ/h inelástica
(‰)
Δ/h límite
(‰)
8 3.8 35.2900 1.3555 6.100 7 Si 7 3.8 30.1390 1.4095 6.343 7 Si 6 3.8 24.7830 1.4139 6.363 7 Si 5 3.8 19.4100 1.3813 6.216 7 Si 4 3.8 14.1610 1.2797 5.759 7 Si 3 3.8 9.2980 1.0892 4.901 7 Si 2 3.8 5.1590 0.8376 3.769 7 Si 1 5 1.9760 0.3952 1.778 7 Si
Base - 0 - - -
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6 7 8
N°
de
Pis
o
Deriva Inelástica Δ ‰
Δ Límite
Δ CQC X
Δ CQC Y
Análisis Sísmico del Sistema Aislado en la Base
Parámetros Finales del Aislador LRB Unidad Aislador 1 Aislador 2 Total
TD seg 2.36 N° de Aisladores u 10 35 45
Rigidez Horizontal Keff KN / mm 2.526 1.838 89.59 Rigidez Vertical Kv KN / mm 2697.3 1602.76 83069.6 Amortiguamiento
Efectivo % 16.46% 16.78% 16.69%
DD mm 218 DTD mm 264
Energía Disipada ED KN mm 124136.91 92098.62 4464820.8 Fuerza Caracteristica Q KN 147.41 109.36 - Fuerza de Fluencia Fy KN 161.23 119.33 -
Rigidez Postfluencia Kp KN / mm 1.85 1.336 - Rigidez Elástica Ke KN / mm 18.5 13.36 -
Desplazamiento de Fluencia Dy
mm 7.47 7.46 -
Amortiguamiento Efectivo
KN s / mm 0.313 0.232 -
Relación Kp / Ke 0.1 0.1 -
Parámetros del Aislador LRB para ETABS
ф1 = 1000 ф2 = 850 Rigidez Vertical Kv KN / mm 2697.3 1602.76 Rigidez Horizontal
Keff KN / mm 2.526 1.838
Rigidez Elástica Ke KN / mm 18.5 13.36 Fuerza de Fluencia
Fy KN 161.23 119.33
Relación Kp / Ke 0.1 0.1 Amortiguamiento
Efectivo KN s / mm 0.313 0.232
Curva de Histéresis del Aislador
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
-300 -200 -100 0 100 200 300
Fuer
za (
KN
)
Dezplazamiento (mm)
Aislador ф1 = 1000 mm
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
-300 -200 -100 0 100 200 300
Fue
rza
(KN
)
Dezplazamiento (mm)
Aislador ф2 = 850 mm
Modelamiento de los aisladores en ETABS
Vista en 3D
Espectro de Diseño
Espectro elástico R = 1, para verificar desplazamientos del sistema de aislamiento
Espectro inelástico R = 2, para verificar derivas de entrepiso de la estructura
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00
Sa/g
PERIODO T
ESPECTRO DE SISMO DE DISEÑO 10/50
EspectroE.030
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00
Sa/g
PERIODO T
ESPECTRO DE SISMO DE DISEÑO 10/50
EspectroE.030
• Fuerza Cortante (R=1)
• Fuerza Cortante (R=2)
Piso EQX (Tn) EQY (Tn) 8 251.900 267.432 7 667.627 697.632 6 1051.835 1083.408 5 1400.885 1422.341 4 1718.548 1721.033 3 2013.956 1992.494 2 2298.742 2252.722 1 2583.687 2516.599
Base 2859.512 2778.296
Piso EQX (Tn) EQY (Tn) 8 125.894 133.828 7 333.656 349.133 6 525.654 542.241 5 700.066 711.944 4 858.781 861.538 3 1006.367 997.520 2 1148.646 1127.875 1 1291.014 1260.029
Base 1428.838 1391.051
• Distorsiones de entrepiso (R=2):
Dirección X
Piso Altura Desp.
Desp. Inelás.
Der. Inelás. Der.
Límite ¿Cumple? m m m Δ inelástica Δ límite
8 3.8 0.198 0.396 0.07% 1.50% Si 7 3.8 0.197 0.393 0.13% 1.50% Si 6 3.8 0.194 0.388 0.19% 1.50% Si 5 3.8 0.190 0.381 0.26% 1.50% Si 4 3.8 0.186 0.371 0.32% 1.50% Si 3 3.8 0.179 0.359 0.38% 1.50% Si 2 3.8 0.172 0.344 0.42% 1.50% Si 1 3.8 0.164 0.328 0.41% 1.50% Si
Base - 0.156 0.313 - -
Dirección Y
Piso Altura Desp.
Desp. Inelás.
Der. Inelás. Der.
Límite ¿Cumple? m m m Δ inelástica Δ límite
8 3.8 0.207 0.414 0.12% 1.50% Si 7 3.8 0.204 0.409 0.19% 1.50% Si 6 3.8 0.201 0.402 0.27% 1.50% Si 5 3.8 0.196 0.391 0.35% 1.50% Si 4 3.8 0.189 0.378 0.42% 1.50% Si 3 3.8 0.181 0.362 0.48% 1.50% Si 2 3.8 0.172 0.344 0.53% 1.50% Si 1 3.8 0.162 0.324 0.51% 1.50% Si
Base - 0.152 0.305 - -
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
N°
de
Pis
o
Deriva Inelástica Δ
Derivas de entrepiso
Dirección X Dirección Y
Der. Límite
• Verificación del desplazamiento del sistema de aislación (R=1)
Desplazamiento del sistema de aislamiento
EQX EQY DTD DTM 313.112 304.303 230.4 329.6
Podemos ver que los desplazamientos obtenidos del ADME usando R=1 son mayores respecto al desplazamiento total de diseño, pero son
menores a al desplazamiento total máximo.
1.- Sismo Ica 2007 N-S
2.- Sismo Ica 2007 (sin escalar) y Espectro objetivo
3.- Sismo de Ica 2007 escalado al espectro de diseño
• Verificación de derivas dirección X
EQX NS Piso ADME L66 L70 L74
8 0.07% 0.03% 0.07% 0.08% 7 0.13% 0.06% 0.13% 0.14% 6 0.19% 0.10% 0.19% 0.20% 5 0.26% 0.15% 0.24% 0.26% 4 0.32% 0.20% 0.29% 0.31% 3 0.38% 0.24% 0.31% 0.34% 2 0.42% 0.27% 0.26% 0.36% 1 0.41% 0.25% 0.16% 0.33%
El sismo de Lima 1974 es el que más se ajusta a las derivas del análisis dinámico modal espectral, por lo tanto será el sismo con el cual se verificarán los aisladores para el nivel de sismo máximo esperado (MCE).
EQY EO Piso ADME L66 L70 L74
8 0.12% 0.13% 0.05% 0.18% 7 0.19% 0.19% 0.08% 0.29% 6 0.27% 0.23% 0.12% 0.40% 5 0.35% 0.26% 0.17% 0.48% 4 0.42% 0.29% 0.21% 0.54% 3 0.48% 0.33% 0.24% 0.56% 2 0.53% 0.38% 0.28% 0.58% 1 0.51% 0.39% 0.27% 0.55%
• Se escala el sismo de Lima 74 para la condición máxima esperada (MCE)
• Se revisa los desplazamientos en la base
Link name
mm Link
name mm
Link name
mm Link
name mm
Link name
mm
K46 243.36 K56 243.436 K66 243.419 K76 243.334 K86 243.315 K47 243.392 K57 243.436 K67 243.419 K77 243.334 K88 243.308 K48 243.36 K58 243.436 K68 243.419 K78 243.334 K89 243.315 K49 243.392 K59 243.436 K69 243.419 K79 243.334 K90 243.315 K50 243.36 K60 243.436 K70 243.392 K80 243.334 K91 243.315 K51 243.392 K61 243.436 K71 243.392 K81 243.315 K52 243.36 K62 243.436 K72 243.36 K82 243.315 K53 243.392 K63 243.419 K73 243.36 K83 243.315 K54 243.36 K64 243.419 K74 243.334 K84 243.315 K55 243.392 K65 243.419 K75 243.334 K85 243.308
Podemos ver que en todos los aisladores se tiene un desplazamiento similar y se concluye que trabajan según lo esperado (en conjunto)
Se produce el máximo desplazamiento en el segundo 9.7
• Cortante en la base
Dirección X (Tn) Dirección Y (Tn)
Cortante en la base
ME Aislado ME Aislado 2504.7894 1428.838 2823.01 1391.051
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
ME X Aislado X ME Y Aislado Y
Cortante en la base (Tn)
• Desplazamientos en los centros de masa
ME Aislado Piso X Y X Y
8 0.16636 0.15881 0.395904 0.413592 7 0.14439 0.13563 0.393176 0.408866 6 0.12080 0.11152 0.388306 0.401592 5 0.09664 0.08735 0.380956 0.391382 4 0.07226 0.06372 0.371122 0.378256 3 0.04892 0.04184 0.358888 0.362378 2 0.02818 0.02322 0.344438 0.344046 1 0.01129 0.00889 0.328344 0.324012
Base 0 0 0.312912 0.30472
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Pis
os
Desplazamientos X
ME X Aislado X
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Pis
os
Desplazamientos Y
ME Y Aislado Y
Podemos ver que en el sistema aislado tiene mayores desplazamientos en el centro de masa comparado con el sistema de muros estructurales que es de base fija
• Derivas
ME Aislado Piso X Y X Y
8 0.00578 0.00610 7.179E-05 1.244E-04 7 0.00621 0.00634 1.282E-04 1.914E-04 6 0.00636 0.00636 1.934E-04 2.687E-04 5 0.00642 0.00622 2.588E-04 3.454E-04 4 0.00614 0.00576 3.219E-04 4.178E-04 3 0.00546 0.00490 3.803E-04 4.824E-04 2 0.00445 0.00377 4.235E-04 5.272E-04 1 0.00226 0.00178 4.061E-04 5.077E-04
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