Existen edificaciones que, por su carácter esencial y sensibilidad de su contenido, requieren un desempeño superior ante la ocurrencia de sismos severos, con daños mínimos y sin interrupción de sus servicios. Este es el caso de hospitales, se cuenta con equipos de alta sensibilidad que, de presentar fuertes aceleraciones, se verían descalibrados y su uso se vería interrumpido. Además, existe la probabilidad de que ocurra un sismo mientras se realizan operaciones complejas, error cuyo desenlace sería fatal.
Los equipos médicos necesitan estar calibrados para otorgar diagnósticos adecuados. De entrar grandes aceleraciones al edificio, estos podrían descalibrarse.
Fuente: RPP.
Sin embargo, debido a la filosofía actual del diseño a la rotura, se esperan grandes daños y pérdida de la funcionalidad de edificaciones convencionales ante sismos severos. Como solución a estos problemas, existen sistemas de protección sísmica con el fin de reducir los daños en edificaciones que, debido a su uso, necesiten garantizar la continuidad de sus servicios.
El webinar “Edificaciones con aislamiento en la base en Perú – Norma E.031” fue transmitido en Facebook el 03 de agosto en la página “Construproductos”. Como ponentes tuvo a Marcos Tinman, gerente de Prisma Ingeniería y Alejandro Muñoz, gerente de proyectos de Prisma Ingeniería. A continuación, te presentamos las ideas más resaltantes.
1.) Función de los aisladores
Los edificios aislados se diseñan para recibir un daño muy reducido para sismos con TR=2475 años y daño nulo en sismos con TR=475 años. La aceleración del sismo es 1.5 veces más grande en el primer caso que en el segundo.
Partes de un aislador sísmico de base. Fuente: Toledo Caballero, A. (2015).
2.) Fuentes de irregularidad al diseñar con aisladores
La Norma E.031 Aislamiento Sísmico solo considera 3 fuentes de irregularidad: piso blando, torsión o discontinuidad extrema en elementos verticales. Grandes aberturas en el diafragma o grandes diferencias en las masas de los pisos no son consideradas como irregularidad. Además, permite irregularidades no extremas en edificaciones esenciales, a diferencia de la norma E.030 de Diseño Sismorresistente.
3.) Tipología de suelos
Para determinar el tipo de suelo que definirá el espectro de diseño no se emplea la velocidad de propagación de ondas de corte. Por el contrario, se utiliza el periodo fundamental del suelo, según la siguiente tabla:
Tabla de periodos fundamentales correspondientes a un tipo de suelo. Este se determina con un estudio de trepidación del suelo.
Fuente: Norma E.031 Aislamiento Sísmico. Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento (2019).
El ingeniero Muñoz dio un ejemplo localizado en Trujillo: de considerarse la velocidad de propagación de ondas de corte como criterio de clasificación del suelo en vez de su período fundamental, se cometería un error, pues el primero indica que se trata de un suelo rígido “S1”, mas su período es de 0.9 segundos, fuera de la plataforma para el suelo correspondiente.
Ejemplo de diseño en la ciudad de Trujillo.
Fuente: Muñoz, A. y Tinman, M. (2020).
Ejemplo de espectros de diseño. Estos indican la aceleración espectral correspondiente a las estructuras según su periodo fundamental.
Fuente: Norma E.031 Aislamiento Sísmico. MVCS (2019).
4.) Tipología de sismos en Perú
Afortunadamente, los sismos en Perú son de bajos períodos y bajos desplazamientos. Debido a esto, no se requiere absorber grandes desplazamientos (más de 60 cm) y cualquiera de los dispositivos es elegible para aislar nuestros edificios. Por ejemplo, en suelo bueno el desplazamiento será de 35-40 cm.
En Perú se pueden usar todos los tipos de aisladores de base, debido al bajo periodo de los sismos locales.
Fuente: Conceptodefinicion.de
5.) Amortiguamiento en edificios aislados
Un amortiguamiento grande en los aisladores es contraproducente, pues se disminuyen los desplazamientos relativos base-estructura, anulando el efecto de desprendimiento lateral de la estructura al suelo. Cuando existe un gran amortiguamiento en los aisladores, entra mayor energía al edificio y se incrementan las aceleraciones y derivas.
6.) Comportamiento mecánico de los aisladores
El comportamiento de los dispositivos es bilineal, sin embargo, la norma permite utilizar un modelo elástico equivalente para calcular los diseños. Solo para edificios de mayor complejidad (número de pisos mayor a 5), es necesario usar el modelo bilineal.
Modelo elástico equivalente propuesto por la norma.
Fuente: Muñoz, A. y Tinman, M. (2020).
7.) Información a reportar en el diseño
El diseño de un sistema de aislamiento no especifica marcas, proveedores ni tipos de dispositivos; pero sí indica los desplazamientos, rigidez, amortiguamiento, carga axial última, factores de seguridad y factores modificadores necesarios para su buen funcionamiento.
¿Indicar la marca de los dispositivos en un diseño con aisladores? Como diría Black Panther, “aquí no hacemos eso”.
Fuente: Loukotka, R.
8.) Factores ambientales e información del proveedor
La fabricación, envejecimiento, condiciones ambientales y calentamiento afectan el desempeño de los dispositivos. El proveedor debe de informar los coeficientes de variación (lambda) de la rigidez efectiva, para calcular los valores máximos y mínimos de fuerzas, aceleraciones y desplazamientos. La norma exige que se garantice el funcionamiento de los dispositivos en su rango de diseño a través del control de sus derivas.
El diseñador indicará un rango de diseño válido a su solución ingenieril. Fuente: Muñoz, A. y Tinman, M. (2020).
Existen aisladores de 30 años de antigüedad. Es necesario hacer una revisión rutinaria del buen estado y funcionamiento del sistema de aislamiento. Ver que las juntas no sean obstruidas, que las tuberías sigan flexibles, que los dispositivos puedan moverse libremente.
9.) Sintonización de la estructura con el aislador
Es necesario sintonizar la estructura del edificio con el sistema de aislamiento para lograr la eficiencia. Esto se logra solo si los periodos aislados y de base fija están suficientemente separados. En resumen, usar un sistema de aislamiento no es suficiente para conseguir un desempeño óptimo, el análisis y diseño hecho por los ingenieros es un factor clave para lograrlo.
Se requiere alejar los periodos de la estructura aislada con el correspondiente a tener su base fija.
Fuente: Muñoz, A. y Tinman, M. (2020).
10.) Consideraciones importantes al diseñar con aisladores
El uso de aisladores tiene un “talón de Aquiles”. Las estructuras diseñadas con estos dispositivos son mucho menos resistentes y rígidas que las estructuras convencionales (de base fija). De bloquearse el sistema de aislamiento, los daños que sufriría la estructura serían muy graves. Existen varias fuentes de bloqueo del sistema de aislamiento, que anularían el espacio que tiene el edificio aislado para moverse. Las juntas de separación deben ser correctamente calculadas según lo exigido por la norma. De impactar con edificios colindantes, se producirían daños importantes en la estructura aislada por ser menos resistente que una estructura convencional.
Fuente: Muñoz, A. y Tinman, M. (2020).
Es necesario estabilizar los taludes. Un deslizamiento obstruiría las juntas, mermando la capacidad desplazamiento de los dispositivos aisladores y haciendo que entre más energía al edificio.
Fuente: Muñoz, A. y Tinman, M. (2020).
Los muros de contención deben ser diseñados con el mismo sismo que el sistema de aislamiento, es decir, con un sismo de periodo de retorno (TR) igual a 2500 años. De diseñarse con un TR convencional de 500 años, ante una solicitación sísmica mayor podrían colapsar y obstruir el sistema de aislamiento, anulando los objetivos esperados para la estructura aislada.
Fuente: Muñoz, A. y Tinman, M. (2020).
Ejemplos de edificios con aislamiento sísmico
La Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC) presenta una gran complejidad arquitectónica y sería imposible de construir sin aislamiento, pues se trata una edificación esencial. De construirse con base fija, tendría muchas irregularidades según la Norma E.030; sin embargo, la Norma E.031 permite irregularidades no extremas, además de reconocer solo 3 fuentes de irregularidad (en comparación a las 10 de las de E.030).
Campus de la UTEC. Cuenta con certificación LEED y recibió el premio del Royal Institute of British Arquitects (RIBA) al mejor edificio del mundo en 2016.
Fuente: UTEC.
El Complejo de Innovación Académica (CIA) de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) también fue diseñado con un sistema de aislamiento sísmico. Por tener muros irregulares de grandes dimensiones, estos fueron aislados de la estructura principal para evitar grandes tracciones en los aisladores de base. Si bien estos dispositivos soportan muy bien las deformaciones laterales y fuerzas de compresión, se debe evitar solicitaciones de tracción importantes.
Complejo de Innovación Académica (CIA) en el campus de la PUCP. Es una cómoda biblioteca de ciencias, ingeniería y arquitectura. Integra el estudio con el encuentro entre las personas; cuenta con impresoras 3D, auditorio, salas de videoconferencia, entre otros. El USGBC le otorgó certificación LEED en nivel Plata.
Fuente: Red Degenerativa.
Conclusión
En general, el diseño de un edificio con aislamiento tiene menor cantidad de muros estructurales que su solución con base fija. De hecho, es preferible tener solo pórticos en estructuras aisladas. Además, el diseño de un edificio aislado es más “permisivo” con las irregularidades y, por lo tanto, con la arquitectura. Finalmente, el uso de un sistema de aislamiento (casi) anula el daño en el edificio durante un sismo severo, disminuye costos por reparaciones y evita la demolición y reconstrucción.
El empleo de estos dispositivos es ideal en una zona sísmica como Perú, es agradable notar que cada vez más edificios cuentan con esta tecnología que protege mejor las vidas y bienes de los ciudadanos. Invito a los lectores de este artículo a ver esta conferencia disponible en Facebook; así como profundizar en el tema: una tesis, una oportunidad laboral o el mero conocimiento serán el premio a su curiosidad.
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