REFORZAMIENTO DE EDIFICIOS GUBERNAMENTALES CON DISIPADORES DE FLUIDO
REFORZAMIENTO DE EDIFICIOS GUBERNAMENTALES CON DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO Ing. M. Sc. Maribel Burgos Namuche MABIE E. I. R. L Perú mariburgos@mabieperu. com
INTRODUCCIÓN En los últimos años, se ha introducido el REFORZAMIENTO DE EDIFICACIONES ANTIGUAS con sistemas de disipación de energía. Entre los sistemas de disipación de energía ampliamente utilizados están los disipadores de fluido viscoso (DFV).
INTRODUCCIÓN El estudio o propuesta del reforzamiento de edificaciones antiguas que se presentan a continuación corresponden a dos edificaciones gubernamentales del Perú y una de El Salvador: SUPERINTENDENCIA NACIONAL DE ADMINISTRACIÓN TRIBUTARIA DEL PERÚ (SUNAT – MIRAFLORES) MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR
INTRODUCCIÓN Estas tres edificaciones fueron analizadas para diferentes disposiciones de disposiciones los DFV, y su efectividad fue medida por: efectividad ümenos distorsión de entrepiso y menor desplazamiento ümayor amortiguamiento suplementario y ümenor fuerza en los disipadores
DISPOSICIÓN DE DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO § DISPOSICIÓN DIAGONAL En este caso, el desplazamiento axial es menor o igual que la distorsión de entrepiso, así la disipación de energía es menor. § DISPOSICIÓN CHEVRON Los brazos diagonales están sometidos a esfuerzos de tracción y compresión, y están conectados a la estructura por anclajes, lo cual conlleva a reforzamiento de vigas y columnas de los pórticos.
DISPOSICIÓN DE DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO Disposición Diagonal -- Fuente: TAYLOR DEVICE Disposición CHEVRON - Fuente: TAYLOR DEVICE Estas disposiciones proveen mayor confort en su instalación; sin embargo requieren muchas veces de disipadores más grandes para asegurar que la distorsión de entrepiso sea menor igual a la permisible, esto implica que el reforzamiento de las edificaciones sea mayor.
DISPOSICIÓN DE DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO § DISPOSICIÓN TOGGLE BRACE Taylor Device propuso dos sistemas mejorados TOGGLE BRACE. Permiten amplificar el desplazamiento y la velocidad en los disipadores, lo cual permite incrementar el amortiguamiento efectivo y disminuir la distorsión de entrepiso. Disposición Upper Toggle Brace Disposición Lower Toggle Brace Fuente: Li Bo, Liang Xingwen (2008) 14 WCEE Paper N° 11 -0071
DISPOSICIÓN DE DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO § DISPOSICIÓN TOGGLE BRACE DISPOSICIÓN UTB - Fuente: TAYLOR DEVICE DISPOSICIÓN LTB - Fuente: TAYLOR DEVICE Se puede lograr un tamaño de disipador más rentable. Debido a estas características, el sistema TOGGLE BRACE está destinado a estructuras relativamente rígidas, incluyendo edificaciones con muros de corte.
AMORTIGUAMIENTO Sa (g) • El aumento de amortiguamiento de la estructura es INVERSAMENTE PROPORCIONAL al valor de pseudo aceleraciones; es decir a mayor amortiguamiento, menor es la fuerza sísmica que solicita la estructura. 0 10: 16 a. m. 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 Ing. Maribel Burgos N. M. Sc T (s) 11
AMORTIGUAMIHISTENTO AMORTIGUAMIENTO HISTERÉTICO • Cuando las estructuras ingresan en el rango inelástico debido a los efectos del sismo, generan un amortiguamiento adicional llamado AMORTIGUAMIENTO HISTERETICO, el cual podría asociarse a un amortiguamiento viscoso equivalente. bo : amortiguamiento histerético representado como amortiguamiento viscoso equivalente. 0. 05 : 5% de amortiguamiento viscoso inherente a la estructura 10: 16 a. m. Ing. Maribel Burgos N. M. Sc 12
AMORTIGUAMIENTO HISTERÉTICO AMORTIGUAMIENTO • El amortiguamiento histerético puede ser calculado de la siguiente manera: 10: 16 a. m. Ing. Maribel Burgos N. M. Sc 13
ENFOQUE PARA LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA El balance de energía mostrada, se representa gráficamente : Ing. Maribel Burgos N. M. Sc 14
CÁLCULO DEL AMORTIGUAMIENTO VISCOSO SUPLEMENTARIO q El FEMA establece la siguiente ecuación para el cálculo del amortiguamiento efectivo beff de la edificación con disipadores de fluido viscoso: viscoso donde: binh bvisc : amortiguamiento inherente de la edificación es igual a 5%. : amortiguamiento viscoso proporcionado por los amortiguadores, el cual es igual a: 10: 16 a. m. 15
CÁLCULO DEL AMORTIGUAMIENTO VISCOSO SUPLEMENTARIO donde: Wj : trabajo realizado por el disipador j en un ciclo completo de carga Wk : máxima energía de deformación de la edificación
CÁLCULO DEL AMORTIGUAMIENTO VISCOSO SUPLEMENTARIO Esta ecuación indicada por el FEMA 356 ha sido desarrollada para una disposición diagonal de los disipadores fluido viscosos lineales Para una disposición en general de los disipadores fluido viscosos nolineales, nolineales esta ecuación queda igual a:
CÁLCULO DEL AMORTIGUAMIENTO VISCOSO SUPLEMENTARIO Según el estudio de Jenn-Shin Hwang y Yin Nan Huang, la relación de amortiguamiento aportada por los DFV no lineales tiene en cuenta el desplazamiento relativo horizontal, (fh)rj, y vertical, (fv)rj, entre los dos extremos del DFV instalado en un panel: Fuente: Jenn-Shin Hwang, Yin-Nan Huang (2008)Journal of Strucutral Engineering ASCE / January 2008
CÁLCULO DEL AMORTIGUAMIENTO VISCOSO SUPLEMENTARIO donde: a = exponente de amortiguamiento (fh)rj = desplazamiento relativo horizontal entre los extremos del disipador j para el primer modo de vibración (fv)rj = desplazamiento relativo vertical entre los extremos del disipador j para el primer modo de vibración (fh)j = factor de magnificación en la dirección horizontal del disipador viscoso no lineal j (fv)j = factor de magnificación en la dirección vertical del disipador viscoso no lineal j A = amplitud del desplazamiento en el techo correspondiente al desplazamiento modal Cj = coeficiente de amortiguamiento del disipador viscoso no lineal l = parámetro
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA SUPERINTENCIA NACIONAL DE ADMINISTRACIÓN TRIBUTARIA (SUNAT – MIRAFLORES) Edificio de 15 Pisos y 04 sótanos Responsable del estudio: Empresa Gambell Perú S. A. Vista panorámica del Edificio SUNAT
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES q Sistema Estructural : DUAL Vista panorámica del Edificio SUNAT Planta típica del Edificio SUNAT
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES q Consideraciones Evaluación de la resistencia a la compresión del concreto: f’c = 210 kg/cm 2 Evaluación de la resistencia del acero de refuerzo: fy = 4500 kg/cm 2 No se consideraron secciones agrietadas. Vista panorámica del Edificio SUNAT
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES q Análisis Modal Los periodos y masa participativa de los primeros modos son: Modo 1 2 3 4 T (s) 1. 377 0. 996 0. 844 0. 343 Masa Part. UX 0. 000 0. 488 0. 069 0. 001 Masa Part. UY 0. 608 0. 002 0. 006 0. 179
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES Se usaron los 06 registros correspondientes a los siguientes sismos: ü 1985 Valparaíso – Chile ü 2001 Moquegua – Arequipa ü 2007 Pisco PCN Parámetros sismorresistentes: Espectros de respuesta de los registros sísmicos escalados. Proyecto realizado por UNI - SENCICO Z = 0. 4 g U = 1. 5 S = 1. 0 R = 1
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES q Ubicación y disposición de los DFV § 40 DFV Disipadores de fluido viscoso en disposición DIAGONAL - Dirección Longitudinal
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES q Ubicación y disposición de los DFV § 44 DFV Disipadores de fluido viscoso en disposición DIAGONAL - Dirección Transversal
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES q Resultados – Distorsión de entrepiso Máxima Distorsión = 0. 0138 Distorsión entre piso en la Dirección Longitudinal Distorsión entre piso en la Dirección Transversal
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE SUNAT - MIRAFLORES q Resultados – Propiedades no lineales de los DFV Descripción • Exponente de velocidad, a • Coeficiente de amortiguamiento, C (t-(sec/m)0. 5) • Número de disipadores • Amortiguamiento viscoso suplementario (%) • Amortiguamiento efectivo (%) • Máxima fuerza en el disipador (t) • Mínima fuerza en el disipador (t) Dirección Longitudinal 0. 3 Transversal 0. 3 150 180 40 44 5. 5 7. 5 10. 5 12. 5 100 125 40 80
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) Responsable del estudio: Córdova Ingenieros S. A. C
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) Vista panorámica del Edificio del MEF
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) Sistema Estructural q Vista panorámica del Edificio del MEF Planta típica del Edificio Universal
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) q Consideraciones De la evaluación de la resistencia a la compresión del concreto: f’c = 180 kg/cm 2 De la evaluación de la resistencia del acero de refuerzo: fy = 2800 kg/cm 2 Vista panorámica del Edificio del MEF Se consideraron secciones agrietadas: Vigas : 50% Ig Columnas : 70% Ig
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) q Análisis Modal Los periodos y masa participativa de los primeros modos son: Mode 1 2 3 4 Period 1. 413 1. 209 0. 736 0. 397 UX 45. 295 2. 923 0. 047 8. 096 UY 0. 004 0. 036 55. 871 0. 620
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) q Análisis Sísmico Tiempo Historia Se usaron tres pares de registros correspondientes a los siguientes sismos: • 17 de Octubre de 1966 • 31 de Mayo de 1970 • 03 de Octubre de 1974 Parámetros sismorresistentes: Espectros de respuesta de los registros sísmicos escalados Z = 0. 4 g U = 1. 3 S = 1. 0 R = 1
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) q Ubicación y disposición de los DFV § 68 DFV en la dirección longitudinal. 68 DFV § 20 DFV en la dirección transversal. 20 DFV en disposición CHEVRON
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) q Resultados – Distorsión de entrepiso Distorsión entrepiso en la Dirección Longitudinal Distorsión entrepiso en la Dirección Transversal
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DEL MINISTERIO DE ECONOMÍA Y FINANZAS DEL PERÚ (MEF) q Resultados – Propiedades no lineales de los DFV Descripción • Exponente de velocidad, a • Coeficiente de amortiguamiento, C (t-(sec/m)0. 5) ( 2° - 7° Story) • Coeficiente de amortiguamiento, C (t-(sec/m)0. 5) (8° Story) • Número de disipadores • Amortiguamiento viscoso suplementario (%) • Amortiguamiento efectivo (%) • Máxima fuerza en el disipador (t) • Mínima fuerza en el disipador (t) Dirección Longitudinal Transversal 0. 5 250 400 180 400 68 13. 5 18. 5 105 40 20 3 8 130 80
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR Edificio de 9 Pisos y 1 sótano Responsable del estudio: AA Diseño, Supervisor y Patalogía de Obras Civiles Vista panorámica del Edificio de la Asamblea Legislativa de El Salvador
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR Planta típica del Edificio Asamblea Legislativa de El Salvador Vista panorámica del Edificio Asamblea Legislativa de El Salvador
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR q Consideraciones Evaluación de la resistencia a la compresión del concreto: f’c = 280 kg/cm 2 Evaluación de la resistencia del acero de refuerzo: fy = 3520 kg/cm 2 Se consideraron secciones agrietadas: Vigas : 50% Ig Columnas : 50% Ig
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR q Análisis Modal Los periodos y masa participativa de los primeros modos son: Modo T (s) Masa Part. UX Masa Part. UY 1 1. 474 0. 000 0. 703 2 1. 430 0. 001 3 1. 340 0. 739 0. 000 4 0. 532 0. 000 0. 145
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR q Análisis Sísmico Tiempo Historia Se usaron tres pares de registros correspondientes a los siguientes sismos: • 10 de Octubre de 1986 • 13 de Enero de 2001 • Artificial Parámetros sismorresistentes: Z = 0. 4 g I = 1. 2 C 0= 2. 75 R = 1
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR q Ubicación y disposición de los DFV en la dirección longitudinal Upper Toggle Brace – Longitudinal Direction
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR q Ubicación y disposición de los DFV en la dirección transversal Upper Toggle Brace - Transverse Direction
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR El edificio fue analizado para diferentes disposiciones de DFV. Las propiedades nolineales de los DFV fueron optimizados hasta obtener la mejor respuesta sísmica del edificio para alcanzar la distorsión permisible. El exponente de velocidad considerada es 0. 4. Coeficientes de Amortiguamiento, C
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR q Resultados – Distorsión de entrepiso Distorsión entre piso en la Dirección Transversal Distorsión entre piso en la Dirección Longitudinal
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR Resultados – Amortiguamiento suplementario Supplemental Viscous Damping Ratio Transverse Direction Supplemental Viscous Damping Ratio (%) q 20. 00 15. 00 10. 00 5. 00 0. 00 Damping % Supplemental Viscous Damping Ratio Longitudinal Direction 12. 00 10. 00 8. 00 6. 00 4. 00 2. 00 Diagonal Chevron 6. 22 6. 23 Upper Lower Upper Toggle Lower Toggle 16. 00 Toggle 13. 00 Dirección Transversal 0. 00 Damping % Diagonal Chevron 6. 50 8. 60 Upper Lower Upper Toggle Lower Toggle 12. 00 Toggle 8. 30 Dirección Longitudinal
REFORZAMIENTO DEL EDIFICIO DE LA ASAMBLEA LEGISLATIVA DE EL SALVADOR Resultados – Fuerza en los disipadores Maximum Damper Force Transverse Direction Maximum Damper Force Longitudinal Direction 250 200 150 100 50 0 F (t) Diagonal Chevron 223 148 Upper Toggle. Lower Toggle Upper Toggle Lower Toggle 135 117 Máxima fuerza en el disipador Dirección Transversal Maximum Damper Force, F (t) q 160 140 120 100 80 60 40 20 0 F (t) Diagonal Chevron 149 105 Upper Lower Upper Toggle Lower Toggle 90 Toggle 70 Máxima fuerza en el disipador Dirección Longitudinal
CONCLUSIONES q q Reforzar edificios antiguos con DFV es una buena alternativa de reforzamiento: el daño estructural se reduce significativamente, los trabajos de refuerzo se realizan en menos tiempo y se puede lograr que las actividades en el edificio no se interrumpan. El amortiguamiento viscoso suplementario alcanzado por los DFV con la disposición DIAGONAL y CHEVRON es menor cuando existen muros de concreto armado, como se observó en el reforzamiento de los edificios del MEF y SUNAT.
CONCLUSIONES q q Con el amortiguamiento alcanzado por la disposición UPPER TOGGLE BRACE, no es necesario reforzar columnas y vigas del edificio de la Asamblea Legislativa de El Salvador, por lo tanto las actividades en el edificio no serían interrumpidas. En algunos casos, el reforzamiento del edificio con disposiciones DIAGONAL y CHEVRON no es suficiente para alcanzar la distorsión permisible, reducen la distorsión, pero no como las disposiciones TOGGLE BRACE. Sin embargo, la instalación de las disposiciones TOGGLE BRACE no es de fácil acceso por ser patente del fabricante de DFV Taylor Device.
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