Christian Asmat G. [1] & Diego Taboada S. [2]
[1] Profesor contratado de la Sección de Ingeniería Civil de la PUCP.
[2] Magíster en Ingeniería Civil de la Escuela de Posgrado de la PUCP.
RESUMEN:
Este documento se centra en mostrar las respuestas sísmicas registradas en tres edificios aislados e instrumentados, durante la ocurrencia de terremotos de gran magnitud en sus respectivas zonas geográficas. Las principales observaciones, conclusiones e implicaciones para el diseño derivadas de los datos registrados son discutidas.
SUMMARY:
This paper focuses on showing the seismic recorded responses in three isolated and instrumented buildings, during the occurrence of large earthquakes in their respective geographic areas. The principal findings, conclusions and implications for the design derived from the recorded data are discussed.
Keywords: isolated, recorded response, instrumentation, behavior, earthquakes
1. INTRODUCCIÓN
En el Perú, el aislamiento sísmico se está usando con más frecuencia. Incluso el gobierno ha ordenado mediante decreto que “Los hospitales, institutos o similares, ubicados en las zonas sísmicas 3 y 2 (…) que alojen servicios esenciales, deberán necesariamente ser dotadas de sistemas de aislación sísmica.” [6]
En el mundo existen muchas edificaciones con sistemas de aislación sísmica que han estado expuestas a sismos de gran magnitud y han mostrado un comportamiento muy favorable. Este documento recopila información sobre el desempeño de algunos de estos casos con el fin de evaluar la eficiencia del sistema de aislación empleado.
1. CONSIDERACIONES
Los sistemas de aislamiento sísmico consisten en elementos de apoyo de alta flexibilidad y baja resistencia lateral. La principal función de estos elementos es la de desacoplar a la estructura del movimiento horizontal que se propaga por el suelo. Generalmente son colocados entre la cimentación y la súper-estructura, aunque en ciertos casos se pueden instalar sobre los niveles de sótanos que conforman la sub-estructura.
En base a las bajas solicitaciones que se presentan a la súper-estructura y del bajo daño presentado en ella, el diseño de la estructura contempla una menor reducción del espectro elástico. Por ello, los códigos internacionales establecen un factor de reducción sísmica en 3/8 del mismo factor empleado si la estructura fuese empotrada en su base, limitado entre 1 y 2. [4]
Asimismo, el factor de importancia empleado en función al uso de la estructura no es considerado para el diseño de la estructura con aisladores sísmico, pues siempre se mantendrá en un nivel operativo de desempeño.
2. METODOLOGÍA
En base a las evaluaciones que se han realizado a estructuras aisladas sometidas a terremotos reales de gran intensidad, se ha recopilado la descripción del comportamiento de 3 edificios sometidos cada uno a un sismo distinto de gran intensidad. Dichos sismos son Northridge (EEUU) 1994. Concepción (Chile) 2010 y Tohoku (Japón) 2011.
NORTHRIDGE (EEUU), 1994: HOSPITAL DE DOCENCIA DE LA UNIVERSIDAD DE SOUTHERN CALIFORNIA
La base aislada del USC University Hospital fue sometida a fuertes movimientos durante el terremoto de Northridge del 17 de enero de 1994. Esta estructura se encuentra instrumentada con medidores de aceleración y desplazamiento, por lo que se pudo estudiar el comportamiento del edificio. El sistema de aislamiento sísmico consta de 68 aisladores con núcleo de plomo y 81 aisladores elastoméricos. [5]
La aceleración en campo abierto fue de 0.49g y en la base de la cimentación fue 0.37g. La máxima aceleración del techo fue reducida hasta 0.21g, lo que equivale el 50 % de la aceleración máxima del suelo. [5] Las derivas fueron menores al 30 % exigida por norma y la superestructura tuvo un comportamiento elástico. El amortiguamiento estimado de 15% en el modo fundamental redujo los desplazamientos.
Tabla 1a: Tabla de variación de aceleraciones pico. [5]
Tabla 1b: Tabla de variación de desplazamientos. [5]
Se observa que, en la principal dirección del movimiento sísmico, dirección X, se obtuvo reducciones en la aceleración desde 57.0% hasta 79.6% respecto al PGA. Se ha concluido entonces que la base aislada del USC University Hospital ha presentado buen desempeño. El aislamiento ha sido eficiente en la reducción de la respuesta de la estructura y en la protección sísmica. La súper-estructura se comportó de forma elástica debido a la efectividad de los aisladores. De aquí a que se espera que el edificio tenga un buen desempeño en futuros terremotos similares a los empleados en el diseño original.
CONCEPCIÓN (CHILE), 2010: EDIFICIO ANDALUCÍA
El terremoto del 27 de febrero 2010, con epicentro al noroeste del Concepción y Mw 8,8, causó pérdidas económicas superiores a los 30 mil millones de dólares.
Como parte de los proyectos de investigación desarrollados en la Universidad de Chile por Sarrazin y Moroni, un sistema aislado fue implementado en 1992 como un intento de introducir esta tecnología en el desarrollo del país. El proyecto Condominio Andalucía fue un proyecto piloto conformado por un edificio aislado y dos edificios similares pero convencionales (base fija), tal como se describe por Moroni [3]. El edificio aislado y uno de los edificios de base fija fueron instrumentados. En esta investigación se presenta un análisis de la respuesta sísmica del edificio aislado registrado durante el terremoto antes mencionado y la comparación con las aceleraciones del edificio de base fija [1].
Tras el terremoto de febrero 2010, el edificio aislado no registró ningún tipo de daño y las aceleraciones registradas a nivel de techo fueron la cuarta parte de las medidas en el edificio gemelo sin aislación (ver Tabla 2);
La tabla 2 compara las aceleraciones de techo de ambos edificios (aislado y convencional) con las aceleraciones que se produjeron en el suelo adyacente. En el edificio convencional hubo una amplificación de aceleraciones del orden de 2 a 5 veces. Adicionalmente, se observaron daños en uno de los muros de albañilería del segundo piso y caída de objetos en su interior.
En cambio, en el edificio aislado la aceleración no presentó amplificación en una componente horizontal e incluso se redujo en la otra componente horizontal. A pesar de la magnitud Mw 8.8, el terremoto no causó ningún daño a la estructura aislada y ni a su contenido.
Por otro lado, después de procesar los registros sísmicos se llegaron a obtener dos parámetros importantes que describen claramente el desempeño dinámico del edificio, estas son las propiedades de frecuencia y amortiguamiento, las cuales demostraron estar acorde con el periodo y amortiguamientos estimados en el diseño.
TOHOKU (JAPÓN), 2011: EDIFICIO SENDAI MT
Uno de los más de 5 000 edificios aislados, fue el edificio de oficinas Sendai MT construido en 1999. Este edificio consta de 18 pisos apoyado sobre 26 aisladores elastoméricos y 10 aisladores.
Durante el terremoto de Tohoku, el desplazamiento máximo del sistema de aislación fue aproximadamente de 23 cm, La aceleración máxima registrada en el sistema de aislación fue de 311 cm/seg2, mientras que en los pisos superiores los instrumentos midieron aceleraciones entre la mitad y las 2/3 partes de la aceleración máxima indicada.
No se presentaron daños no estructurales en el edificio y terminó completamente operativo luego del terremoto. Daños no estructurales menores se observaron en algunas juntas que cubren el sistema de aislación, pero el daño es reparable y no afectan la funcionalidad del edificio.
4. CONCLUSIONES
En todos los casos que se han tratado en este documento, se ha visto que la aceleración, en cualquiera de los niveles del edificio aislado, es menor que la aceleración del terreno. Esto confirma el efecto del aumento del periodo y, por ende, la reducción de la aceleración en la súper-estructura.
Los edificios analizados no mostraron daños ni en la estructura ni en los elementos no estructurales; en algunos casos sólo se presentaron daños reparables en las tapa juntas. A diferencia de estos edificios aislados, los edificios cercanos empotrados en su base que sí mostraron daños moderados o severos.
Según las inspecciones realizadas en campo a los edificios, se menciona que las estructuras se mantuvieron en el rango elástico, validando así la gran eficiencia de los sistemas de aislación en reducir el desempeño exigido a la estructura.
Se ha observado el uso de diferentes tipos de aisladores sísmicos, como los elastoméricos de alto amortiguamiento, los elastoméricos con núcleo de plomo, los deslizadores, etc. A pesar de no conocer el comportamiento dinámico propio de cada aislador, podemos concluir que el concepto de emplear aislación sísmica en un edificio es sumamente beneficioso, pero siempre es recomendable tener la asesoría técnica de un experto en el tema del comportamiento dinámico de estos dispositivos.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Boroschek R., Retamales R., Aguilar A.; 2010. “Seismic response of isolated structures subjected to Mw 8.8 Chile earthquake of february 27, 2010”. [2] EERI; 2012. “EERI; 2012. Report of Sendai Building, Seismic Isolation Project, 20. [3] Moroni M., Sarrazin M., and Boroschek R.; 1998. “Analysis of seismic records obtained in isolated structures”. 12 World Conference on Earthquake Engineering, New Zealand, 2000, paper 1122. [4] Naeim F., Kelly J.; 1999. “Design of seismic isolated structures: from theory to practice”. John Wiley & Sons, Inc. [5] Nagarajaiah, S., & Xiaohong, S.; 2000. “Response of base-isolated USC hospital building in Northridge earthquake”. Journal of structural engineering, 126(10), 1177-1186. [6] Sencico; 2008. “Norma Técnica E.030 Diseño Sismo Resistente”.