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I. INTRODUCCIÓN
S indiscutible que, en zonas expuestas a sismos de mediana o alta magnitud, los niveles de daño a la construcción son severos e incluso llegando al colapso parcial o total de las edificaciones, siendo los más vulnerables aquellos que no son diseñados o reforzados sísmicamente, llevando consigo muchas vidas humanas y pérdidas económicas que suelen ser irrecuperables en el tiempo [1], en los últimos tiempos diversos terremotos de distinta intensidad se han manifestado en importantes ciudades del mundo, los cuales han causado muerte y destrucción [2], Perú no es la excepción puesto que está localizado en la interacción de 2 placas tectónicas (Nazca y Continental), por lo que es catalogado como un país de alta sismicidad [3], teniendo con frecuencia grandes terremotos [4], distintos estudios señalan que de haber un sismo de gran magnitud, Perú sería uno de los países más afectados [5], como ya sucedió solo por mencionar el terremoto que ocurrió en Pisco tuvo una magnitud 8.0 Mw donde 500 personas fallecieron y aproximadamente 90.000 edificaciones se desplomaron [6] .
Apartir de lo ya mencionado surgen múltiples técnicas para dar solución a la vulnerabilidad sísmica de las estructuras mal concebidas, siendo los disipadores una opción viable, por ello nace la interrogativa ¿los disipadores de fluido viscoso pueden ser usados como medida de reforzamiento estructural?, hoy por hoy es importante saber y dar a conocer que hay una incertidumbre notoria en cuanto a sismos se refiere, por lo que las consecuencias de un evento así podría traer daños muy graves en toda la población, siendo así que incorporación de estos dispositivos podrían conllevar a reducir el riesgo de colapso de las edificaciones, incrementado el amortiguamiento interno de estas, reduciendo el impacto de la fuerza sísmica en los elementos verticales, salvaguardando la vida de sus ocupantes principalmente.
En ese sentido, como alternativa de solución a los edificios mal diseñados el empleo de sistemas de disipación de energía han resultado ser eficientes para cambiar la respuesta sísmica de la estructura y mejorar así su comportamiento sismorresistente [7], estos dispositivos tienen como fin reducir los esfuerzos internos en los miembros estructurales, los cuales han demostrado su eficacia a través de una serie de investigaciones desde 1980 [8], su simplicidad es adecuada para acomodarse a distintas formas en una edificación [9], por lo tanto estos han ganado gran popularidad en las últimas décadas, reduciendo en más del 50% los desplazamientos con amortiguamientos cercanos al 20% [10], por otro lado [11] concluyeron que los desplazamiento laterales se pueden reducir en más del 50% y las aceleraciones hasta en un 70%, [12] manifestaron que dependiendo de su emplazamiento y número de dispositivos empleados las derivas de entrepiso se ven reducidos en más del 50%, [13] mencionan que al incrementar el amortiguamiento de la estructura en 10%, 15%, 20% se reduce el riesgo de colapso puesto que mejora el comportamiento sísmico de la edificación, [14] concluyen que al incrementar el amortiguamiento interno de las estructuras las aceleraciones disminuyen y por lo tanto la probabilidad de colapso, [15] concluyeron que el uso de estos dispositivos reducen las distorsiones de entrepiso hasta en un 76%, y los esfuerzos internos de los miembros estructurales hasta en un 80%, por último [16] concluyó que la evaluación indirecta estimada de daños a nivel de sismo en un edificio tradicional sería superior a la suma de daños en un edificio con disipadores que son del tipo fluido viscoso y los sobrecostos de construcción.
En Perú el primer edificio en ser equipado con disipadores viscosos fue la Torre del Aeropuerto Internacional en Lima [17], por otro lado el “Banco la Nación” de 30 niveles, los cuales mejoraron la respuesta sísmica debido al incremento del amortiguamiento interno de la estructura [18].
II. METODOLOGÍA
El tipo de investigación es cuantitativa, aplicada - evaluativa; cuantitativa debido a que se analizó y experimentó las variables, donde los resultados se calcularon y procesaron; aplicada porque se buscó dar solución a un problema en un entorno determinado, a través del uso de conocimiento e información previa; y evaluativa donde se midió la eficiencia de los resultados, en cuanto a los propositos establecidos.
El diseño del proyecto de investigación fue experimental, la variable ha adquirido presencia y ausencia.
O1(O2
O1: Edificio sin disipadores de Fluido Viscoso
O2: Edificio con disipadores de Fluido Viscoso
Población y muestra
Población: Universidad Señor de Sipán
Muestra: Módulos del edificio “Centro Cultural
Técnicas e instrumentos de recolección de datos
Observación: Se tomó los planos existentes para identificar los tipos de sistemas y los miembros estructurales que la conforman.
Análisis de documentos: Se revisó la bibliografía pertinente según el tema de importancia.
Instrumentos de recolección de datos: La indagación fue llenada a través de formatos catalogados como fichas, los cuales fueron una guía hacia los objetivos planteados.
TABLA I. NORMATIVA APLICADA
| Dimensión | Método | Normativa |
|---|---|---|
| Evaluación sísmica | Análisis estático | Norma E030 (2018) |
| Análisis dinámico | ||
| Incorporación de los DFV | Análisis tiempo historia lineal | Norma ASCE 7-10 |
| Análisis tiempo historia no lineal | ||
| Reforzamiento de elementos estructurales | Espectro reducido | Norma ASCE 7-10 |
III. DISEÑO SISMORRESISTENTE
En general según [19] en una estructura cualesquiera sujeta a una movimiento sísmico, la conservación de energía está dada por:
(1)
Energía absoluta de entrada en el movimiento telúrico.
Si se estableciera que la EL es constante, el desempeño sísmico en una estructura podría ser controlada por medio de 2 criterios, el primero incrementando la rigidez y a su vez la ductilidad del sistema, manifestando mayor deformación inelástica (ED); el segundo aumentando el amortiguamiento interno (EA) con el equipamiento de dispositivos suplementarios en la estructura, estos tienen por fin reducir los esfuerzos internos en los elementos estructurales a través de la inelasticidad (ED).
A. Análisis Estático
De acuerdo a [20] en una edificación de hasta 30m de altura la fuerza de corte estática puede ser estimada para cada dirección mediante:
(2)Z, U, C, S: Parámetros Sísmicos
P: Peso del edificio en estudio
R: Coeficiente que reduce la fuerza de sismo
B. Análisis Dinámico modal espectral
Este método suele reflejar un comportamiento más real de la estructura analizada, está en base al llamado espectro de respuesta siendo fiable y práctico a la vez, y está definido:
(3)Sa: Aceleración espectral
g: Aceleración gravitatoria
C. Análisis Tiempo - Historia
En este tipo de análisis se buscan historiales de aceleración espectral de acuerdo a la zona estudiada, en donde se busca que estos sean cercanos o escalados al sismo máximo esperado [20], en una estructura que presenta sistemas de amortiguación deberán ser analizadas por este método, pudiendo utilizar métodos lineales, no lineales, o una unión de ambos [22]
D. Modificación de respuesta amortiguada
Según [23] la respuesta de una estructura durante un evento telúrico se puede reducir gracias a la incorporación de estos disipadores del tipo fluido viscoso en base a la tabla II, pudiendo diseñar, y/o reforzar los elementos verticales y horizontales de la estructura que la conforman.
TABLA II. COEFICIENTE DE AMORTIGUACIÓN [23]
| Amortiguamiento efectivo, β | B v+1, B 1D , B R , B 1M ,B mD , B mM |
|---|---|
| ≤ 2 | 0.8 |
| 5 | 1.0 |
| 10 | 1.2 |
| 20 | 1.5 |
| 30 | 1.8 |
| 40 | 2.1 |
| 50 | 2.4 |
| 60 | 2.7 |
| 70 | 3.0 |
| 80 | 3.3 |
| 90 | 3.6 |
| ≥100 | 4.0 |
Donde Vmín es el mayor de:
(4)
(5)V: Fuerza cortante calculada
Vmín: Fuerza cortante basal mínima
Bv+1: Coeficiente de amortiguación
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En las presentes figuras a continuación se muestran los modelos de la estructuras, los cuales fueron realizados en el software ETABS, en estos se muestra el emplazamiento y disposición de los disipadores del tipo fluido viscoso para ambas direcciones, de tal manera que el edificio de la fig. 1 corresponde a un edificio de muros estructurales, siendo su disposición en elevación para el eje “x” e “y” diagonales y chevrón diagonal respectivamente; por otro lado en la fig. 2 se observa el emplazamiento de estos dispositivos en el edificio aporticado de concreto armado, siendo su disposición para el eje “x” e “y” diagonales y chevrón horizontal respectivamente; cabe aclarar que la clasificación de los sistemas estructurales se hizo de acuerdo a la normativa peruana E030 de diseño sismorresistente.
En la tabla III se verifica el amortiguamiento adicional agregado a la estructura, y esto a través de una carga no lineal instantánea conocida como carga pulso y el objetivo es verificar dicho amortiguamiento mediante las fórmulas de decremento logarítmico, este amortiguamiento depende de varios factores como la ubicación, el número de ejemplares utilizados, el sistema estructural utilizado y en gran medida los coeficientes de amortiguamiento en conjunto con los factores que dependen de las velocidades de la estructura, consiguiendo finalmente un amortiguamiento viscoso cercano al 20% coincidiendo con [10]; [11] quienes logran conseguir un amortiguamiento viscoso cercano al 20% para cumplir con la deriva permisible, por otra parte también se coincide con [13] quienes afirman que con amortiguamientos que van desde el 10%, 15%, 20% se reduce el riesgo de colapso de la edificación puesto que mejora el comportamiento sísmico de la edificación.
TABLA III AMORTIGUAMIENTO VISCOSO ADICIONADO
| Tipo de Amortiguamiento | Estructura de muros estructurales | Estructura aporticada | ||
|---|---|---|---|---|
| Eje “X-X” | Eje “Y-Y” | Eje “X-X” | Eje “Y-Y” | |
| Amortiguamiento Inherente | 5.00% | 5.00% | 5.00% | 5.00% |
| Amortiguamiento efectivo | 23.00% | 24.00% | 27.00% | 26.00% |
| Amortiguamiento Viscoso | 18.00% | 19.00% | 22.00% | 21.00% |
En una edificación tradicional son los miembros estructurales que se oponen al movimiento telúrico, siendo estos los responsables de disipar la energía sísmica, por otro lado, como ya se mencionó en sistemas que cuentan con dispositivos de amortiguamiento suplementario son estos los encargados en disipar dicha energía gracias al incremento del amortiguamiento interno de la estructura en general, en las figuras 3 y 4 se muestra como estos absorben más del 85% de tal energía, estableciendo una parte muy reducida en los otros elementos, lo cual coincide con [14] los cuales manifestaron que al incrementar el amortiguamiento en una estructura la probalidad de colapso disminuye, siendo muy visible la disipación de energía, por otro lado [8] afirma que estos son empleados con el objetivo de disminuir la demanda estructural en los elementos de concreto armado gracias a la disipación de energía durante el sismo, por lo tanto estos mejoran la respuesta en una edificación y su comportamiento al inminente peligro sísmico [7].
En figuras 5, 6, 7 y 8 se muestran los resultados comparativos para el edificio con y sin disipadores, mediante un análisis no lineal, y lineal tiempo historia para el edificio con y sin disipadores respectivamente, cabe recalcar que en el edificio que contiene los disipadores de fluido viscoso son estos los que incursionan en el rango no lineal y por tanto solo estos tienen dichas características, es decir a dichos dispositivos se le agregó un comportamiento no lineal, de tal manera que se pueda hacer la comparativa, en estas se muestra la reducción significativa de los desplazamientos laterales (52.85%-81.49%), esfuerzos internos (58.25%-82.37%), velocidades y aceleraciones (22.71%-81.75%) coincidiendo con los autores [10]; [12] los cuales manifiestas que los desplazamientos se ven reducidos en más del 50% , por otro lado coincide con los resultados obtenidos por [11] los cuales indican que las aceleraciones y velocidades pueden reducirse hasta un orden del 70%, además en esta investigación se muestra que la simplicidad en cuanto a su ubicación y disposición para lograr dichos resultados es sencilla en la edificación coincidiendo con [9] quienes manifiestan la facilidad de estos dispositivos para adaptarse a una estructura.
En la tabla IV según la normativa ASCE 7-10 en el capítulo 18 se puede modificar la fuerza cortante de diseño en la base, reduciéndola en función al amortiguamiento ganado por la implementación de los disipadores de fluido viscoso, por otra parte, también se menciona que esta fuerza se ve reducida hasta un 25% como máximo (Vmín=0.75V), con estos considerandos se crearon espectros de diseño en base a la normativa peruana E030 de diseño sismorresistente.
TABLA IV MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA AMORTIGUADA
| Sistema estructural | Amort. viscoso | Coeficiente de amortiguación | Reducción de Fza basal | Reducción de Fza basal máxima | Coeficiente que reduce de fuerza sísmica | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| βeff | Bv+1 | Vd=V/(Bv+1) | Vmín=0.75V | R0 inicial | R0 reducido | |
| Muros estructurales | 18.00% | 1.44 | Vd=0.69V | Vmín=0.75V | 6.00 | 8.00 |
| 19.00% | 1.47 | Vd=0.68V | Vmín=0.75V | 6.00 | 8.00 | |
| Aporticado | 22.00% | 1.50 | Vd=0.67V | Vmín=0.75V | 8.00 | 10.67 |
| 21.00% | 1.53 | Vd=0.65V | Vmín=0.75V | 8.00 | 10.67 | |
Por último en la tablas V y VI se observa la reducción de acero en vigas y columnas mediante porcentajes, tomando los resultados de acero calculados en las regiones de rótulas plásticas donde la demanda estructural es mayor, en ese sentido las vigas de luces mayores tienen una reducción menor, mientras que en aquellas de luces cortas es mayor, siendo esto propio de la carga lateral (sismo) que se muestra más en longitudes cortas, por otra parte en las columnas de acuerdo al sistema estructural si es más rígido los valores de reducción de área de acero son menores, mientras que si el sistema es más flexible muestra una reducción de acero muy alta, siendo estos resultados coincidentes con [15] quienes demostraron que el equipamiento de estos dispositivos, los momentos y cortantes se reducen hasta un 80% por lo tanto también las áreas de acero, por último [16] concluyó que la evaluación indirecta estimada de daños a nivel sísmico, en un edificio tradicional, sería superior que la suma de daños de edificio con disipadores de fluido viscoso y el sobrecosto de construcción.
TABLA V REDUCCIÓN DE ÁREAS DE ACERO LONGITUDINALES EN VIGAS
| Sistema estructural | Luz libre (m) | Vigas P. | Reducción de áreas de acero | |
|---|---|---|---|---|
| b (cm) | h (cm) | Ro inicial | ||
| Muros estructurales | 8.1 | 30 | 75 | 8.61%-17.04% |
| 5.37 | 25 | 50 | 24.98%-29.42% | |
| Aporticado | 9.8 | 30 | 80 | 10.85%-16.62% |
| 4.7 | 25 | 50 | 22.36%-31.02% | |
V. CONCLUSIONES
La implementación de los dispositivos de fluido viscoso mejora la respuesta estructural y sísmica de una edificación, la ubicación, el número de ejemplares, la disposición, los coeficientes de amortiguamiento “c” y los factores de velocidad “α” tienen una gran relevancia, dependiendo de los objetivos deseados dichos valores deberán ser ajustados.
Al incorporar estos disipadores del tipo fluido viscoso en los módulos de muros estructurales y pórticos de concreto armado, se logra un comportamiento sísmico y estructural eficiente, por lo que, las distorsiones llegan a ser reducidas y cumplir con la permisible (0.007) según la norma peruana E030, reduciéndose desde (52.85% - 61.41%) y (61.13%-70.26%) en el sistema de muros estructurales, (71.80%-81.49%) y (59.45-71.63%) en sistema aporticado de concreto armado, para los ejes (“X”) e (“Y”); para estas estructuras que pueden ser denominados como sistemas de muros estructurales y aporticados de concreto armado se logra un amortiguamiento cercano al 20% con el fin de controlar las distorsiones de entrepiso, además la energía sísmica ahora es disipada por estos dispositivos en más del 85%, independientemente del sistema estructural se puede obtener dichos resultados siempre y cuando se ajusten los valores y formas de la conclusión anterior.
Con el equipamiento de los disipadores de fluido viscoso en las estructuras, se mejora de una manera notable el comportamiento sísmico - estructural, gracias a su implementación como indica la normativa E030 se puede tomar como referencia la norma ASCE, la cual establece lo criterios referentes a aplicación de disipadores de fluido viscoso, en esta normativa en relación al amortiguamiento adicionado que se obtuvo se puede hacer una variación en la respuesta de la estructura con el objetivo de realizar el diseño de los miembros estructurales, permitiendo reducir la fuerza de diseño hasta un 25% como máximo, de tal manera que las área de acero en las vigas y columnas se reducen (8.61%-31.02) para las vigas, y en las columnas esa variación va desde (9.16%- 44%), pudiendo ahorrar grandes cantidades de acero.
Por último, habiendo analizado todos los resultados logrados con el equipamiento de estos dispositivos en las estructuras, se establece que son adecuados para el reforzamiento de edificaciones existentes, y debido a su relativa fácil incorporación los haría más viables, sin embargo, no se puede generalizar puesto que cada estructura es única, y dependerá de diversos factores como los mencionados.
