Análisis y Diseño del Sistema de Aislamiento Sísmico con Neumáticos como Dispositivo Elástico de Restitución de Desplazamientos para Vivienda-Edición Única

(1)

Monterrey, Nuevo León a .

", en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución, distribución pública y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO, dentro del círculo de la comunidad del Tecnológico de Monterrey.

El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas anteriormente de la obra.

De la misma manera, manifiesto que el contenido académico, literario, la edición y en general cualquier parte de LA OBRA son de mi entera responsabilidad, por lo que deslindo a EL INSTITUTO por cualquier violación a los derechos de autor y/o propiedad intelectual y/o cualquier responsabilidad relacionada con la OBRA que cometa el suscrito frente a terceros.

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

PRESENTE.-Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra denominada "

(2)

Análisis y Diseño del Sistema de Aislamiento Sísmico con

Neumáticos como Dispositivo Elástico de Restitución de

Desplazamientos para Vivienda-Edición Única

Title Análisis y Diseño del Sistema de Aislamiento Sísmico con Neumáticos como Dispositivo Elástico de Restitución de Desplazamientos para Vivienda-Edición Única

Authors Miguel ángel Ibarra Estrada

Affiliation Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey

Issue Date 2008-12-01 Item type Tesis

Rights Open Access

Downloaded 19-Jan-2017 03:04:16

(3)

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS

SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

ANÁLISIS Y DISEÑO DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO SÍSMICO CON NEUMÁTICOS COMO DISPOSITIVO ELÁSTICO DE RESTITUCIÓN DE

DESPLAZAMIENTOS PARA VIVIENDA

TESIS

PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL

ING. MIGUEL ANGEL IBARRA ESTRADA

(4)

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE

MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

Los miembros del Comité recomendamos que el presente proyecto de tesis presentado por el Ing. Miguel Ángel Ibarra Estrada sea aceptado como requisito parcial para obtener el grado académico de:

Maestro en Ciencias en Ingeniería y Administración de la Construcción con especialidad en Ingeniería Estructural.

Comité de Tesis

_____________________________ Dr. Francisco Yeomans Reyna., Ph. D.

Asesor

______________________________ ______________________________ Delma V. Almada Navarro, M.C. Carlos Nungaray Pérez, M.C.

Co-asesor Co-asesor

APROBADO

______________________________ Dr. Joaquin Acevedo Mascarua, Ph.D.

(5)

AGRADECIMEINTOS

Agradezco a mis padres Miguel Ángel y Roció, a mi esposa Aurora

Maria, a mis hermanas Gely, Ada y Azu y a mi hermano Juan, a todos

mis amigos y compañeros que fueron parte y compartieron conmigo el

desarrollo de este proyecto.

Gracias a todos los que compartieron conmigo un poco de su tiempo en

escucharme y apoyarme, gracias a todos por su aportación emocional

amistosa y sincera para lograr la culminación de este proyecto.

Gracias a todos por su comprensión y apoyo, les agradezco el impulso y

la motivación.

(6)

ÍNDICE

1.1 INTRODUCCIÓN ... XVII 1.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ... XIX 1.3 OBJETIVOS ... XIX 1.3.1 OBJETIVOS GENERALES ... XIX 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... XIX 1.4 METODOLOGÍA ... XX 1.4.1 ANTECEDENTES ... XX 1.4.2 HIPÓTESIS ... XXI 1.4.3 MÉTODO ... XXI

2.1 AISLAMIENTO SÍSMICO...22

2.1.1 DESARROLLO DEL AISLAMIENTO SÍSMICO ...22

2.1.2 DISPOSITIVOS Y SISTEMAS DE AISLAMIENTO ...23

2.1.3 REQUERIMIENTOS BÁSICOS DE LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO SÍSMIC0 24 2.1.3.1 Desarrollo y formulación ...25

2.2 SIMILITUD Y SEMEJANZA...26

2.2.1 MODELOS FÍSICOS ...26

2.2.2 TEORÍA DE SEMEJANZA DE MODELOS ...28

2.2.3 TIPOS DE SEMEJANZA ...29

2.3 INSTRUMENTACÍON BÁSICA PARA DESARROLLO EXPERIMENTAL ...30

2.3.1 CAPTADORES ...30

2.3.2 ACELERÓMETROS ...31

2.3.3 GALGAS EXTENSOMÉTRICAS ...31

2.3.4 MESA VIBRATORIA ...31

2.4 REGISTROS Y BASES DE DATOS SISMOLÓGICOS ...32

2.4.1 RED DE BANDA ANCHA ...32

2.4.2 RED DEL VALLE DE MÉXICO ...32

2.4.3 RED SISMOLÓGICA CONVENCIONAL ...33

2.4.4 OBSERVATORIOS SISMOLÓGICOS DE BANDA ANCHA ...33

2.4.5 CENTRO DE INSTRUMENTACIÓN Y REGISTRO SÍSMICO (CIRES) ...33

2.5 APLICACIONES DE DISTINTOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO ...34

2.5.1 SISTEMAS DE PÉNDULO DE FRICCIÓN ...34

2.5.2 CIMENTACIÓN CINEMÁTICA ...35

2.5.3 COJINETES ELASTOMÉRICOS ...36

2.5.3.1 Aplicaciones en EE.UU. ...37

2.5.3.2 Aplicaciones en el Mundo ...37

3.1 INTRODUCCIÓN ...38

3.2 ANTECEDENTES...38

3.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO ...39

3.3.1 TECNOVIVIENDA - PROPUESTA DE VIVIENDA EXPERIMENTAL ...39

3.3.2 SISTEMA DE AISLAMIENTO SÍSMICO ...41

(7)

3.4 ESTUDIO ANALÍTICO DEL SISTEMA DE RESTITUCIÓN Y CONTROL DE

DESPLAZAMIENTOS ...47

3.4.1 RIGIDEZ DEL SUELO PARA EL MODELO ANALÍTICO. ...48

3.4.2 SISTEMA DE RESTITUCIÓN DE DESPLAZAMIENTOS ...51

3.4.2.1 Dispositivos de Restitución y Estudio de Materiales. ...52

3.5 ESTUDIO DE RIGIDEZ DEL SISTEMA...56

3.5.1 DETERMINACIÓN DE COLOCACIÓN Y NÚMERO DE NEUMÁTICOS ...56

3.6 MESA VIBRATORIA ...57

3.7 SIMILITUD ...58

3.7.1 REQUERIMIENTOS DE SIMILITUD Y SEMEJANZA ...58

3.7.2 ANÁLISIS DIMENSIONAL ...58

3.8 CARGAS DINÁMICAS DE ESTUDIO...64

3.9 CIMENTACIÓN DE DALA DE CONFINAMIENTO A BASE DE MICROPILOTES ...67

3.10 DISEÑO DE MODELO DE TECNOVIVIENDA A ESCALA ...67

3.10.1 PARÁMETRO DIMENSIONAL DE TIEMPO Y ACELERACIÓN ...68

3.10.2 PARÁMETRO DIMENSIONAL DE LONGITUD...68

3.10.2.1 Escalamiento del Acero de Refuerzo ...69

3.10.3 PARÁMETRO DIMENSIONAL DE RIGIDEZ ...71

3.10.3.1 Escalamiento de la rigidez por fricción ...71

3.10.3.2 Escalamiento de la rigidez del Sistema de restitución ...73

3.10.4 PARÁMETRO DIMENSIONAL DE DENSIDAD DE MASA ...74

4.1 INTRODUCCIÓN ...76

4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES PRUEBAS A NEUMÁTICOS ...76

4.2.1 PRUEBAS A COMPRESIÓN DE NEUMÁTICOS INDIVIDUALES ...76

4.2.2 PRUEBAS A NEUMÁTICOS EN CONJUNTO ...83

4.2.3 PRUEBA A NEUMÁTICOS A ESCALA (MOTOCICLETA) ...86

4.3 RESULTADOS EXPERIMENTALES PRUEBAS A MORTERO ...88

4.3.1 DOSIFICACIÓN DE MORTERO Y CONCRETO ...88

4.3.2 RESULTADOS ENSAYO DE PROBETAS DE MORTERO Y CONCRETO ...90

4.4 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO ...95

4.5 ANÁLISIS POR EL MÉTODO DE ELEMENTO FINITO DE MODELO Y PROTOTIPO ... 106

4.5.1 ANÁLISIS DEL PROTOTIPO DE TECNOVIVIENDA... 107

4.5.1.1 Análisis de Espectros ... 112

4.5.1.2 Estudio de Rigidez ... 115

4.5.2 RESULTADOS MEF DEL PROTOTIPO VS MODELO... 116

4.5.2.1 Esfuerzos Internos de Membrana ... 117

4.5.2.2 Modos de Vibrar en Tecnovivienda Aislada y con Neumáticos ... 118

4.5.2.3 Esfuerzos en Tecnovivienda Aislada y con Neumáticos... 120

4.5.2.4 Modos de Vibrar Tecnovivienda fija ... 131

4.5.2.5 Esfuerzos en Tecnovivienda fija... 133

5.1 INTRODUCCIÓN ... 144

5.2 COMPARATIVA TEÓRICO-EXPERIMENTAL ... 144

5.2.1 CALIBRACIÓN DEL MODELO POR EL MEF ... 144

(8)

5.2.1.2 Esfuerzos en Tecnovivienda Aislada y con Neumáticos (CALIBRACIÓN DE MODELO) 147

5.2.1.3 Resultados del Prototipo de Tecnovivienda Aislada y con Neumáticos ... 150

5.2.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES ... 151

5.2.2.1 Acelerógramas ... 151

5.2.2.2 Medición de Desplazamientos ... 155

5.2.2.3 Resultados sismo El Centro 1940 ... 157

5.2.2.4 Resultados sismo México 1985 ... 160

5.2.2.5 Resultados sismo Northridge 1994 [Escala 0.5] ... 163

5.2.2.6 Resultados sismo Loma Prieta 1989 ... 166

5.2.2.7 Resultados sismo Kobe 1995[Escala 0.9] ... 169

5.2.2.8 Resultados Movimiento Senoidal 0.5 Hz ... 172

5.2.3 RESULTADOS MEF MODELO VS MODELO REAL... 191

5.3 PRUEBAS ALTERNAS REALIZADAS ... 195

5.3.1 BLOQUES SOBRE GRAVA 3/8” ... 196

5.3.1.1 Resultados Experimentales ... 197

5.3.2 BLOQUES SOBRE ARENA #5 ... 198

5.3.2.1 Resultados Experimentales ... 198

6.1 CONCLUSIONES ... 200

6.2 RECOMENDACIONES... 203

A.1. CAPACIDAD DE CARGA PARA MICROPILAS DE CIMENTACIÓN ... 204

A.1.1 CAPACIDAD DE CARGA DEL SUELO (MÉTODO DE MEYERHOF] ... 204

A.1.2 CAPACIDAD DE CARGA POR FRICCIÓN DE LOS SUELOS ... 218

(9)

1CONTENIDO DE FIGURAS

Figura 1. Modelo de cuerpo libre del sistema de aislamiento. ...25

Figura 2. Sistema de péndulo de fricción como aislador sísmico. ...34

Figura 3. Sistemas de Cimentación Cinemática. ...36

Figura 4. Cojinetes elastoméricos como sistema de aislamiento sísmico. ...36

Figura 5. Fraccionamiento de 23 viviendas utilizando el sistema constructivo “TECNOVIVIENDA”, Tonala Chiapas, 2005. ...39

Figura 6. Paneles de fibra de vidrio utilizados como cimbra para Sistema Constructivo Tecnovivienda. ...40

Figura 7. Geometría del Sistema Constructivo Tecnovivienda ...41

Figura 8. Vista superior del sistema de acomodo de neumáticos al contorno de la Tecnovivienda. ...42

Figura 9. Esquema Tecnovivienda, con el sistema restitutivo por neumáticos confinados. ...43

Figura 10. Sistema de Aislamiento sísmico con neumáticos como elementos restitutivos. ...44

Figura 11. Esquema de la colocación de neumáticos para el Sistema de Aislamiento sísmico. ...45

Figura 12. Superficies en vista frontal de la Tecnovivienda (Cotas en m) ...50

Figura 13. Neumático con rotura y desgaste de caucho en menos de la mitad de la cara. ...52

Figura 14. Neumático con rotura de caucho y fibras en más de la mitad de la huella. ...53

Figura 15. Neumático con desprendimiento de caucho en menos de la mitad de la huella. ...53

Figura 16. Neumático con desprendimiento de caucho y fibras en más de la mitad de la huella. 53 Figura 17. Representación esquemática de la compresión de un neumático. ...55

Figura 18. Representación esquemática de la compresión de un grupo de neumáticos en contacto. ...55

Figura 19. Fotografía de mesa vibratoria con los ángulos al contorno ...57

Figura 20. Espectro de aceleración del Sismo Kobe-Japón 1995. ...64

Figura 21. Espectro de aceleración del Sismo Loma Prieta 1989. ...65

Figura 22. Espectro de aceleración del Sismo México 1985. ...65

Figura 23. Espectro de aceleración del Sismo Northridge 1994. ...66

Figura 24. Espectro de aceleración del Sismo Imperial Valley - El Centro 1940. ...66

Figura 25. Geometría escalada de la Tecnovivienda ...68

Figura 26. Superficies en vista frontal de la Tecnovivienda (Cotas en m). ...71

Figura 27. Resultados del comportamiento a compresión de la muestra de neumáticos. ...77

Figura 28. Sector de rigidez “A” según deterioro por desgaste de caucho en neumáticos. ...78

Figura 29. Sector de rigidez “B” según deterioro por rotura de caucho en neumáticos. ...78

Figura 30. Sector de rigidez “C” según deterioro por rotura de fibras en neumáticos. ...79

Figura 31. Sector de rigidez “D” según deterioro por rotura de caucho y fibras en neumáticos. .79 Figura 32. Sectores de rigidez según deterioro de neumáticos. ...80

Figura 33. Geometría deformada del neumático comprimirlo 30 cm. ...80

Figura 34. Comportamiento hasta la falla de neumático a compresión. ...81

Figura 35. Selección de neumáticos representativos de rigidez a compresión. ...82

Figura 36. Comportamiento hasta la falla de neumáticos representativos a compresión. ...82

Figura 37. Comportamiento hasta la falla de neumáticos representativos a compresión. ...83

(10)

Figura 39. Sistema hidráulico y celda para aplicación de carga al conjunto de neumáticos. ...84

Figura 40. Deformación de neumáticos en conjunto. ...85

Figura 41. Comportamiento del conjunto de neumáticos a compresión. ...85

Figura 42. Comparación de tamaño entre neumático de automóvil y neumático de motocicleta. 86 Figura 43. Prueba a compresión en Máquina Universal de neumático de motocicleta. ...87

Figura 44. Comportamiento de neumático de motocicleta a compresión en prueba repetitiva. ...88

Figura 45. Gráfico carga-deformación para cilindros de mortero de 10 x 20 cm a 7 días de edad. ...91

Figura 46. Gráfico carga-deformación para cilindros de mortero de 15 x 30 cm a 7 días de edad. ...91

Figura 47. Gráfico carga-deformación para cubos de mortero 1:2.5 a 7 días de edad. ...91

Figura 48. Gráfico carga-deformación para cubos de mortero 1:3 a 7 días de edad. ...92

Figura 50. Gráfico carga-deformación para cubos de mortero 1:2.5 a 15 días de edad. ...92

Figura 53. Elaboración de moldes para 1 y 4 esferas de concreto de 7 cm de diámetro. ...95

Figura 54. Elaboración de esferas de concreto de 7 cm de diámetro...96

Figura 55. Entrelazado de alambre. ...97

Figura 56. Colocación de cimbra para losa de cimentación. ...97

Figura 57. Relleno de interfase con material granular. ...98

Figura 58. Colocación de esferas de concreto de la interfase. ...98

Figura 59. Armado de losa de cimentación. ...99

Figura 60. Colado de losa de cimentación. ... 100

Figura 61 .Recubrimiento con aditivo. ... 100

Figura 62. Localización de la llave de corte en junta viga-Tecnovivienda ... 101

Figura 63. Colocación de cimbra para Tecnovivienda. ... 102

Figura 64. Armado de Tecnovivienda... 103

Figura 65. Zarpeo de muros. ... 104

Figura 66. Agregado material extra. ... 105

Figura 67. Tecnovivienda terminada. ... 106

Figura 68. Geometría por elementos finitos de la Tecnovivienda con neumáticos. ... 107

Figura 69. Asignación de propiedades del material de mortero cemento-arena 1:3. ... 108

Figura 70. Asignación de propiedades del material de concreto. ... 108

Figura 71. Asignación de dimensiones y materiales de viga de apoyo o viga límite. ... 109

Figura 72. Asignación de propiedades para los elementos tipo placa del modelo de elementos finitos... 109

Figura 73. Asignación de propiedades al NLLink, simulando los neumáticos. ... 110

Figura 74. Asignación de materiales para el prototipo de Tecnovivienda. ... 110

Figura 75. Asignación de propiedades en los nudos de la losa de cimentación para simular la interfase. ... 111

Figura 76. Definición de cargas para el prototipo de elementos finitos. ... 111

Figura 77. Definición de cargas acelerográficas para el análisis por elemento finitos. ... 112

Figura 78. Espectro de aceleración atenuado sismo El Centro. ... 113

Figura 79. Espectro de aceleración atenuado sismo Kobe. ... 114

(11)

Figura 81. Estudio de rigidez con coeficiente de fricción μ= 0.03... 115

Figura 82. Estudio de rigidez con coeficiente de fricción μ= 0.01... 116

Figura 83. Designación de esfuerzos internos en placas. ... 117

Figura 84. Deformaciones del modelo y prototipo de Tecnovivienda aislada para sus primeros modos de vibrar. ... 119

Figura 85. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 121

Figura 86. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 121

Figura 87. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 122

Figura 88. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 122

Figura 89. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 123

Figura 90. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 123

Figura 91. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 124

Figura 92. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 124

Figura 93. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 125

Figura 94. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 125

Figura 95. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 126

Figura 96. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 126

Figura 97. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 127

Figura 98. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 127

Figura 99. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 128

Figura 100. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 128

Figura 101. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2) ... 129

Figura 102. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2) ... 129

Figura 103. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2) ... 130

(12)

Figura 105. Deformaciones de modelo y prototipo de Tecnovivienda fija para sus primeros modos de vibrar. ... 132

Figura 106. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 134

Figura 107. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 134

Figura 108. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 135

Figura 109. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de El Centro 1940. (kg/cm2) ... 135

Figura 110. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 136

Figura 111. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 136

Figura 112. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 137

Figura 113. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Kobe 1995. (kg/cm2) ... 137

Figura 114. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 138

Figura 115. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 138

Figura 116. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 139

Figura 117. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Loma Prieta 1989. (kg/cm2) ... 139

Figura 118. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 140

Figura 119. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 140

Figura 120. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 141

Figura 121. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de Northridge 1994. (kg/cm2) ... 141

Figura 122. Envolvente de esfuerzos máximos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2)... 142

Figura 123. Envolvente de esfuerzos mínimos S11 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2)... 142

Figura 124. Envolvente de esfuerzos máximos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2)... 143

Figura 125. Envolvente de esfuerzos mínimos S22 en Tecnovivienda fija debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2)... 143

Figura 126. Asignación de propiedades de la losa de cimentación para calibración de MEF. ... 145

Figura 127. Deformaciones de modelo calibrado de Tecnovivienda aislada y con neumáticos para sus primeros modos de vibrar. ... 146

(13)

Figura 129. Esfuerzos S11 en el modelo calibrado debidos al sismo de Loma Prieta 1989

(kg/cm2) ... 148

Figura 130. Esfuerzos S11 en el modelo calibrado debidos al sismo de México 1985. (kg/cm2) ... 149

Figura 131. Esfuerzos S11 en el modelo calibrado debidos al sismo de Northridge 1994 [Escala 0.5]. (kg/cm2) ... 149

Figura 132. Esfuerzos S11 en el modelo debidos al sismo de Kobe 1995 [Escala 0.9]. (kg/cm2) ... 150

Figura 133. Comparativa acelerógramas Aplicado vs Real sismo El Centro 1940. ... 153

Figura 134. Comparativa acelerógramas Aplicado vs Real sismo Kobe 1995 [Escala 0.9] ... 153

Figura 135. Comparativa acelerógrama Aplicado vs Real sismo Loma Prieta 1989. ... 154

Figura 136. Comparativa acelerógrama Aplicado vs Real sismo Northridge 1994 [Escala 0.5]. ... 154

Figura 137. Comparativa acelerógrama Aplicado vs Real sismo México 1985. ... 155

Figura 138. Localización de LVDT al exterior de la Tecnovivienda. ... 156

Figura 139. Localización de LVDT al interior de la Tecnovivienda. ... 156

Figura 140. Sentido de Colocación de LVDT al interior de la Tecnovivienda. ... 157

Figura 141. Desplazamiento relativo Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo ... 158

Figura 142. Desplazamiento inferior Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo ... 158

Figura 143. Desplazamiento interior Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo ... 159

Figura 144. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo El Centro 1940 (LVDT Superior) ... 159

Figura 145. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo El Centro 1940 (LVDT Inferior) ... 160

Figura 146. Desplazamiento relativo Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo México 1985. ... 161

Figura 147. Desplazamiento inferior Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo México 1985. ... 161

Figura 148. Desplazamiento interior Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo México 1985. ... 162

Figura 149. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo México 1985 (LVDT Superior 1) ... 162

Figura 150. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo México 1985 (LVDT Inferior 1) ... 163

Figura 153. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo Northridge 1994 [Escala 0.5] (LVDT Sup. 1) ... 165

Figura 154. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo Northridge 1994 [Escala 0.5] (LVDT Inferior 1) ... 165

Figura 157. Desplazamiento interior Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo ... 167

Figura 158. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo Loma Prieta 1989(LVDT Sup. 1) ... 168

(14)

Figura 160. Desplazamiento relativo Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo Kobe 1995 [Escala 0.9]. ... 169

Figura 161. Desplazamiento inferior Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo Kobe 1995 [Escala 0.9]. ... 170

Figura 162. Desplazamiento interior Tecnovivienda aislada con neumáticos sismo Kobe 1995 [Escala 0.9]. ... 170

Figura 163. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo Kobe 1995 ... 171

Figura 164. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda sismo Kobe 1995 ... 171

Figura 165. Desplazamiento relativo Tecnovivienda aislada con neumáticos movimiento

Senoidal 0.5 Hz. ... 172

Figura 166. Desplazamiento inferior Tecnovivienda aislada con neumáticos movimiento

Figura 167. Desplazamiento interior Tecnovivienda aislada con neumáticos movimiento

Figura 168. Comparativa desplazamiento Tecnovivienda movimiento Senoidal 0.5 Hz ... 174

Senoidal 1.5 Hz. ... 182 . Figura 182. Desplazamiento interior Tecnovivienda aislada con neumáticos movimiento

Senoidal 2.0 Hz ... 184

(15)

Figura 190. Desplazamiento relativo Tecnovivienda aislada con neumáticos movimiento Senoidal 3.0 Hz. ... 187

Figura 191. Desplazamiento inferior Tecnovivienda aislada con neumáticos movimiento Senoidal 3.0 Hz. ... 188

Figura 194. Desplazamiento relativo Tecnovivienda aislada sin neumáticos movimiento Senoidal 10 Hz. ... 190

Figura 195. Desplazamiento inferior Tecnovivienda aislada sin neumáticos movimiento Senoidal 10 Hz. ... 190

Figura 196. Desplazamiento interior Tecnovivienda aislada sin neumáticos movimiento Senoidal 10 Hz. ... 191

Figura 197. Comparativa desplazamiento sismo el Centro 1940, Modelo Real vs. MEF. ... 192

Figura 198. Comparativa desplazamiento sismo el Kobe 1995, Modelo Real vs. MEF. ... 192

Figura 199. Estudio de rigidez con coeficiente de fricción μ= 0.9 ... 193

Figura 200. Bloque de concreto 70 x 30 cm colado sobre grava y esferas. ... 196

Figura 201. Bloque de concreto 70 x 30 cm colado sobre plástico entre la grava y esferas. ... 197

Figura 202. Comparativa desplazamiento movimiento Senoidal 3 hz bloques sobre grava. ... 197

Figura 203. Bloque de concreto 25 x 30 cm colado sobre plástico, arena y esferas. ... 198

Figura 204. Comparativa desplazamiento movimiento Senoidal 3 Hz bloques sobre arena y esferas. ... 199

Figura 205. Comparativa desplazamiento movimiento Senoidal 3 Hz bloque con plástico. ... 199

Figura 206. Capacidad de carga de la arcilla blanda con carga aplicada verticalmente. ... 207

Figura 207. Capacidad de carga de la arcilla blanda con carga aplicada a 30° de inclinación. .. 208

Figura 208. Capacidad de carga de la arcilla blanda con carga aplicada a 45° de inclinación. .. 208

Figura 209. Capacidad de carga de la arcilla media con carga aplicada verticalmente. ... 209

Figura 210. Capacidad de carga de la arcilla media con carga aplicada a 30° de inclinación. ... 209

Figura 211. Capacidad de carga de la arcilla media con carga aplicada a 45° de inclinación. .. 210

Figura 212. Capacidad de carga de la arcilla compacta con carga aplicada verticalmente... 210

Figura 213. Capacidad de carga de la arcilla compacta con carga aplicada a 30° de inclinación. ... 211

Figura 214. Capacidad de carga de la arcilla compacta con carga aplicada a 45° de inclinación. ... 211

Figura 215. Capacidad de carga de la arena fina-limosa con carga aplicada verticalmente. ... 212

Figura 216. Capacidad de carga de la arena fina-limosa con carga aplicada a 30° de inclinación. ... 212

Figura 217. Capacidad de carga de la arena fina-limosa con carga aplicada a 45° de inclinación. ... 213

Figura 218. Capacidad de carga de la arena media con carga aplicada verticalmente. ... 213

Figura 219. Capacidad de carga de la arena media con carga aplicada a 30° de inclinación. .... 214

Figura 220. Capacidad de carga de la arena media con carga aplicada a 45° de inclinación. .... 214

Figura 221. Capacidad de carga de la arena gruesa densidad media con carga aplicada verticalmente. ... 215

(16)

Figura 223. Capacidad de carga de la arena media densidad gruesa con carga aplicada a 45° de

inclinación. ... 216

Figura 224. Capacidad de carga de la grava arenosa densa con carga aplicada verticalmente. .. 216

Figura 225. Capacidad de carga de la grava arenosa densa con carga aplicada a 30° de inclinación. ... 217

Figura 226. Capacidad de carga de la grava arenosa densa con carga aplicada a 45° de inclinación. ... 217

Figura 227. Capacidad de carga por fricción entre suelo de arcilla blanda y concreto. ... 218

Figura 228. Capacidad de carga por fricción entre suelo de arcilla media y concreto. ... 219

Figura 229. Capacidad de carga por fricción entre suelo de arcilla compacta y concreto. ... 219

Figura 230. Capacidad de carga por fricción entre suelo de arena fina-limosa y concreto. ... 220

Figura 231. Capacidad de carga por fricción entre suelo de arena gruesa densidad media y concreto. ... 220

Figura 232. Capacidad de carga por fricción entre suelo de arena media y concreto. ... 221

(17)

2CONTENIDO DE TABLAS

Tabla 1. Valores de fricción obtenidos de estudios. ...49

Tabla 2. Propiedades mecánicas del mortero de concreto. ...49

Tabla 3. Clasificación de la condición, medidas y características particulares de neumáticos. ....54

Tabla 4. Resultados de rigidez que se obtiene al someter a compresión los neumáticos individuales o en grupo. ...56

Tabla 5. Parámetros Dimensionales. ...59

Tabla 6. Dominio de Parámetros ...60

Tabla 7. Factores de Escalamiento ...62

Tabla 8. Factores de escala modificados. ...63

Tabla 9. Frecuencias Fundamentales de Distintos Sismos ...64

Tabla 10. Factores de escalamiento primarios. ...68

Tabla 11. Propiedades escaladas. ...69

Tabla 12. Calculo de refuerzo de acero escalado para el modelo. ...70

Tabla 13. Resumen de refuerzo de acero escalado para el modelo. ...71

Tabla 14. Parámetro de rigidez proporcionada por los neumáticos al Prototipo (Sp). ...73

Tabla 15. Parámetro de rigidez proporcionada por los neumáticos al modelo (Sm). ...73

Tabla 16. Rigidez promedio al someter a compresión los neumáticos. ...81

Tabla 17. Rigidez a compresión del conjunto de neumáticos. ...86

Tabla 18. Rigidez a compresión de neumáticos de motocicleta. ...88

Tabla 19. Dosificaciones para mortero cemento-arena. ...89

Tabla 20. Dosificaciones para concreto 250 kg/cm2. ...89

Tabla 21. Peso volumétrico en Mortero Normal y con acelerante. ...90

Tabla 22. Resultados de resistencia a tensión (módulo de ruptura) para mortero. ...94

Tabla 23. Resistencia a compresión a los 7 días de mortero normal y mortero con acelerante (kg/cm2) ...94

Tabla 24. Resistencia a compresión a los 15 días de mortero normal y mortero con acelerante (kg/cm2) ...94

Tabla 25. Resumen de resistencias a compresión para mortero normal y con acelerante (kg/cm2) ...94

Tabla 26. Modos de vibrar Tecnovivienda aislada con neumáticos. ... 118

Tabla 27. Esfuerzos en Tecnovivienda aislada y con neumáticos debidos a las cargas dinámicas aplicadas (kg/cm2). ... 120

Tabla 28. Modos de vibrar de Tecnovivienda fija. ... 131

Tabla 29. Esfuerzos en Tecnovivienda fija debidos a las cargas dinámicas aplicadas (kg/cm2). ... 133

Tabla 30. Modos de vibrar Tecnovivienda aislada con neumáticos (calibración μ= 0.9). ... 147

Tabla 31. Esfuerzos en Tecnovivienda aislada con llantas (Calibración μ = 0.9) debidos a las cargas dinámicas aplicadas (kg/cm2). ... 147

Tabla 32. Modos de vibrar en el prototipo de Tecnovivienda aislada con llantas (Calibración μ=0.9). ... 150

Tabla 33. Esfuerzos en el prototipo de Tecnovivienda aislada con llantas (Calibración μ = 0.9) debidos a las cargas dinámicas aplicadas (kg/cm2). ... 151

(18)

Tabla 35. Valores de rigidez equivalente y fricción para grava 3/8” en pruebas a bloque de

concreto con superficie de contacto rugosa. ... 195

Tabla 36. Relaciones aproximadas para arcillas [25]... 205

Tabla 37. Relaciones aproximadas para arenas [25]. ... 205

Tabla 38. Pesos volumétricos para distintos tipos de suelo [25]. ... 206

Tabla 39. Rangos representativos del módulo de reacción lateral [26]. ... 206

Tabla 40. Propiedades físicas para distintos tipos de suelo. ... 207

(19)

1CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN

Los desastres originados en el planeta a causa de fenómenos naturales como inundaciones, tormentas, sismos, incendios y otros eventos son causa de grandes pérdidas humanas y económicas. Estos sucesos han provocado desastres cada vez más devastadores debidos a que actualmente existe un mayor crecimiento demográfico y desarrollo económico en lo que se refiere a infraestructura.

Los fenómenos sísmicos se consideran causantes de pérdidas considerables, desde el punto de vista económico y humano. Datos proporcionados por la Munich Reinsurance Company (2000) muestran cifras referentes a los últimos desastres sísmicos y las pérdidas económicas que estos han provocado: 100 mil millones de dólares para el sismo de 6.9 grados de la escala Richter de 1995 en Kobe (Japón); 44 mil millones de dólares para el de 6.7 grados de la escala Richter de 1994 en Northridge (EUA); 14 mil millones para el sismo de 7.6 grados Richter de 1999 en Chi-Chi (Taiwán); 14 mil millones para el de 6.7 grados Richter de 1988 en Armenia; y 12 mil millones de dólares para el de 7.6 grados Richter de 1999 en Turquía. Note que tres de estos sismos no son denominados “grandes”, porque su magnitud es inferior a 7 grados Richter [1]. Además de estos un desastre que dejó grandes secuelas fue el tsunami del Océano Índico en 2004, que llegó a elevadas proporciones en lo que se refiere a la pérdida de vidas humanas, países afectados y actividades de ayuda y recuperación, generando pérdidas por cerca de los 13 mil millones de dólares. [2]

(20)

y los continentes colindantes a él, donde la placa del Pacífico tiene contacto varias placas que la rodean.

En México a lo largo de la costa del Pacífico, el cual abarca desde Jalisco hasta la frontera con Guatemala, existe una zona de subducción entre placas, donde la Placa de Cocos se mueve contra la placa Continental Americana, con una velocidad promedio de 7 cm. al año. Los grandes sismos que se han presentado en las costas mexicanas en ciertas zonas de Oaxaca y Guerrero principalmente, parecen repetirse aproximadamente cada 35 ó 40 años, lo cual se cree pueda ser el lapso necesario para acumular suficiente energía capaz de generar un gran sismo. [3]

Actualmente los sismos en México representan un grave peligro, debido a los percances generados a las estructuras y a sus habitantes, sobre todo en zonas rurales y de bajos recursos tanto urbanos como económicos. Con el objetivo de mitigar los efectos sísmicos se ha desarrollado un sistema de aislamiento sísmico, el cual consiste en desligar los desplazamientos entre la vivienda y el suelo, de tal manera que se logren disminuir los estragos a las estructuras, proporcionando seguridad a sus habitantes.

El sistema de aislamiento sísmico pasivo, donde la energía inercial a causa de un sismo se transforma a energía calorífica por efectos de fricción, se crea para desligar la estructura de la vivienda del terreno, permitiendo desplazamientos en la interfase del sistema, con la idea de disminuir los efectos en la estructura. El sistema de aislamiento tiene la característica particular de que mientras los desplazamientos de la estructura no sean delimitados, ni controlados se pueden ocasionar movimientos, dejándola en una ubicación distinta a la original. Es por esta razón que si la posición no es restituida (reestablecida) además de delimitada se provocarían efectos de impacto entre estructuras colindantes, por lo que es necesario evitar estos percances para que el sistema de aislamiento sísmico llegue a ser completamente efectivo.

(21)

1.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

El Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey por medio de la División de Ingeniería y Arquitectura, ha implementando dentro del Programa de Maestría en Ciencias en Ingeniería y Administración de la Construcción, una serie de proyectos de distinta índole. Algunos de éstos desarrollados en conjunto con La Cátedra en Desarrollo e Innovación de Procesos y Tecnologías de Vivienda que buscan contribuir al mejoramiento e innovación en materia habitacional mediante la investigación e innovación. La Cátedra de Investigación en Vivienda comprende cinco áreas estratégicas,

• Aspectos financieros de la vivienda.

• Tecnologías de vivienda: materiales y procesos constructivos.

• Mitigación de los fenómenos naturales en vivienda: aislamiento sísmico.

• Aspectos socio-culturales.

El presente proyecto se enfoca al área de Mitigación de los fenómenos naturales en vivienda: aislamiento sísmico.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVOS GENERALES

Estudio del comportamiento de un dispositivo elástico a base de neumáticos capaz de restituir total o parcialmente los desplazamientos provocados por sismos a viviendas desplantadas sobre un sistema de aislamiento sísmico pasivo a base de fricción.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar estudios sobre comportamiento del material elástico (neumáticos) con la idea de controlar y restituir el desplazamiento de la Tecnovivienda.

(22)

Diseñar el dispositivo de restitución basándose en pruebas experimentales sobre la vivienda, estudiando el comportamiento de la estructura y el material, haciendo que funcione como elemento restitutivo y delimitador.

Análisis de resultados teóricos y experimentales del modelo y el prototipo a escala de la vivienda.

Apoyar en el proceso de implementación y calibración de la mesa vibratoria, de manera de obtener resultados experimentales que representen el comportamiento crítico de la edificación al ser sometida a una secuencia de movimientos de terreno.

1.4 METODOLOGÍA

1.4.1 ANTECEDENTES

(23)

1.4.2 HIPÓTESIS

Los desplazamientos serán delimitados y amortiguados por un dispositivo compuesto de elementos elásticos, con una rigidez adecuada para reincorporar el sistema a su posición.

1.4.3 MÉTODO

(24)

2CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 AISLAMIENTO SÍSMICO

Los sistemas de aislamiento de viviendas donde la energía cinética, producto del movimiento sísmico, es disminuida sin requerimiento de fuentes de energía de amortiguamiento externas son considerados sistemas de disipación de energía pasivos. Estos sistemas funcionan reduciendo la energía cinética causada por los movimientos del terreno, transformándola y evitando que actúe directamente sobre la estructura aislada. El uso de sistemas de mitigación del movimiento es amplio y variado, debido a que el sistema puede contemplar distintos elementos de disipación de energía. Recientemente se han estudiado sistemas en los cuales la transformación de energía cinética a energía calorífica reduce las vibraciones en la estructura aislada, siendo absorbidas por el sistema de aislamiento, reduciendo las aceleraciones y aumentando los periodos de vibración a la estructura [5].

En este capítulo se presentan algunos de los distintos sistemas de mitigación de energía, teniendo como objetivo el acotar efectos sísmicos. Además de ilustrar ejemplos y aplicaciones, se plantean conceptos básicos para el desarrollo de estas técnicas. Tomando en cuenta la gran cantidad de datos sismológicos, se enfoca también a especificar bases de datos confiables, para la obtención de información utilizada para un análisis dinámico, mostrando parámetros espectrales, así como aspectos de similitud y semejanza de estructuras.

2.1.1 DESARROLLO DEL AISLAMIENTO SÍSMICO

Actualmente se desarrollan sistemas y medios de control sísmico, con el objetivo de disminuir los riesgos y proporcionar seguridad a las estructuras ante un sismo. Algunas áreas de investigación enfocadas a mitigar efectos sísmicos son:

a) Aislamiento sísmico

(25)

El aislamiento sísmico consiste en reducir los efectos de la componente horizontal de la aceleración del terreno, interponiendo elementos estructurales entre la estructura y su base. Varios mecanismos pasivos de mitigación se han desarrollado a la largo de los últimos tiempos logrando ideas innovadoras, fundamentadas en efectos de fricción y haciendo uso de rodillos y esferas, capas de arena y materiales similares. Esto hace que se logre una frecuencia fundamental en la estructura que es menor a la que pudieran tener ya sea la cimentación o la estructura en sí, con esto el primer modo dinámico causa efecto sólo en el sistema de aislamiento, dejando a la estructura como un cuerpo rígido. El sistema de aislamiento evita la transmisión de energía cinética del sismo a la estructura y ésta a su vez es desvanecida. El concepto de aislamiento no depende primordialmente del amortiguamiento, de hecho el excesivo amortiguamiento puede reducir la efectividad del sistema, absorbiendo y transmitiendo la energía induciendo a altos modos de vibrar a la estructura de aislamiento [5].

Los métodos de disipación de energía en general se basan en teorías fundamentales de fricción y viscosidad, generando amortiguamientos controlados cumpliendo con la finalidad básica del sistema de mitigación. Actualmente el uso de sistemas de dispositivos activos, pasivos o pasivos en combinación de activos (híbridos) funcionan como medios de protección estructural efectivos. Los mecanismos híbridos controlan la fuerza de respuesta de la estructura, ya que trabajan por medio de dispositivos localizados en la estructura, que integrados con controladores y censores coadyuvan en un proceso de tiempo real, es decir que estos elementos deben reaccionar simultáneamente con la excitación de manera de proteger y reforzar la estructura.

2.1.2 DISPOSITIVOS Y SISTEMAS DE AISLAMIENTO

El esfuerzo por implementar y encontrar sistemas de energía pasiva y control activo de energía, con la idea de amortiguar estructuras ha fomentado el desarrollado de varios proyectos a lo largo del mundo como en Nueva Zelanda, Japón, México, USA, entre otros.

(26)

deslizamiento entre placas y esferas, han logrado combinar teorías que conforman sistemas capaces de mitigar los efectos sísmicos [6].

Algunos productos utilizados actualmente como dispositivos de amortiguamiento son [5]: Amortiguadores de fluencia metálica

Amortiguadores de fricción Amortiguadores visco elásticos Amortiguadores de fluido viscoso Amortiguadores de control líquido Amortiguadores de control de masas Amortiguadores magneto-reológicos

2.1.3 REQUERIMIENTOS BÁSICOS DE LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO SÍSMIC0

Los sistemas de aislamiento contienen en general las siguientes características [7]:

A) Flexibilidad horizontal suficiente capaz de incrementar el periodo natural de la estructura, cumpliendo las demandas de diseño por espectros, excepto en suelos muy blandos.

B) Capacidad de disipación de energía para limitar los desplazamientos del sistema a un nivel práctico.

C) Rigidez adecuada del sistema que permita un funcionamiento efectivo, comportándose como disipador de energía cuando así lo requiera o como estructura fija si sólo se ve influenciado por cargas normales de servicio.

(27)

2.1.3.1 Desarrollo y formulación

x .. F= N

N W

m(x+ y)_{.. ..} x

m

μ μ

Figura 1. Modelo de cuerpo libre del sistema de aislamiento.

Una vivienda es una estructura de baja altura para la cual el estudio se realiza considerándola un cuerpo rígido de un sólo grado de libertad, en la que por medio de un análisis matemático basado en diagramas de cuerpo libre representado en la Figura 1, se determina la fricción de la interfase y la rigidez equivalente al sistema [8].

F X

Y

M o⎟=

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +.. .. (1) g M Y signo

f * * *

. μ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = (2) g M Y signo X Y

M o * * *

. .. .. μ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝

⎛ + (3)

g Y signo X Y o ) ( . .. .. + = μ (4) g X Y..+ .._o

=

μ (5)

Donde:

F = fuerza inercial, f = fuerza de fricción,

μ = coeficiente de fricción

(28)

g = aceleración de la gravedad

o

X.. = aceleración de la mesa

..

Y = aceleración del modelo respecto a la mesa .

Y = velocidad del modelo.

Conociendo el coeficiente de fricción del material se obtiene la rigidez equivalente al sustituir la fuerza en la ecuación de la rigidez por μW [20].

d W

k = μ (6)

Donde:

d = desplazamiento relativo total del modelo W = el peso del modelo.

2.2 SIMILITUD Y SEMEJANZA

2.2.1 MODELOS FÍSICOS

La evaluación experimental busca replicar un fenómeno para que sea lo más cercano o similar al que pudiera presentarse en el caso real. A partir de un conjunto de experimentos los datos obtenidos pueden enunciar principios generales y valiosos, aplicables al fenómeno estudiado. Ejemplos típicos son el comportamiento en la modelación de los efectos del viento y sismo en estructuras [9].

(29)

La teoría de los modelos físicos considera que a partir de las magnitudes fundamentales longitud (L), tiempo (T) y masa (M), sistema utilizado principalmente para resolver problemas de mecánica y estructuras [10], las demás magnitudes tienen una correlación directa con estas, ya que este sistema (L-T-M) adimensional fundamenta la estrategia de escalamiento y semejanza:

Lp = λLm; tp = λt tm; Mp = λm Mm; (7)

Donde: m = modelo p = prototipo

En ocasiones, un problema está afectado por un gran número de variables, relacionadas por ecuaciones que desconocemos, o que mantienen relaciones complejas. Cada ecuación representa lo que en la teoría de modelos físicos se conoce como “semejanzas modelo-prototipo”. La primera de ellas es la “semejanza geométrica”, la segunda la “semejanza cinemática” y la tercera la “dinámica”.

Las semejanzas parciales se establecen analizando cuál es la magnitud dominante en el fenómeno a estudiar, determinándose por medio de una comparación de magnitudes propias del prototipo y el modelo, originando los efectos de escala, que en cada caso, han de ser analizados para asegurar la validez de los resultados. Por ello conviene que la escala sea la mayor posible.

El análisis dimensional toma variables agrupándolas en conjuntos según sus dimensiones. Una vez determinados los grupos, para completar el proceso, se determinan las relaciones matemáticas que ligan los distintos grupos. Básicamente podemos referirnos al Teorema de Buckingham [11].

Teorema de Buckingham: El número de grupos adimensionales se calcula como

la diferencia entre el número de variables que participan en la matriz dimensional y el rango de esta matriz.

(30)

intervienen en el proceso y el número de dimensiones incluidas en las variables. El método derivado a partir del teorema de Buckingham y puede sintetizarse de la siguiente forma:

En un problema determinado se necesita expresar una cantidad en función de cierto número de parámetros o variables de medición esenciales para la descripción del fenómeno estudiado. La selección de estos parámetros debe de hacerse cuidadosamente para omitir datos irrelevantes e involucrar todos aquellos que afecten de manera directa los resultados del problema [10].

La cantidad desconocida “Z” es función de los “q” parámetros (S1, S2, S3... Sq), Así:

Z = f (S1, S2, S3... Sq) (8)

Se deben de listar las r dimensiones de los parámetros S involucrados en la ecuación anterior. Una vez determinadas las dimensiones, se ordenan las variables adimensionales. Cuando se tienen variables de las mismas dimensiones se selecciona una de ellas, la que se considere más importante para el problema, y esa variable pasará a formar parte de la matriz dimensional. Todas las demás variables del “grupo” se dividen por la elegida, obteniéndose con ello los distintos factores de forma, adimensionales.

Luego se debe escoger otro parámetro y repetir el proceso hasta que toda la ecuación esté formada por grupos de parámetros adimensionales. La matriz dimensional se forma con las magnitudes fundamentales y la ecuación (8) se podrá reescribir en términos de los parámetros adimensionales π1... πq-r como:

π1=f (π2, π3, π4,... π q-r) (9)

2.2.2 TEORÍA DE SEMEJANZA DE MODELOS

(31)

La semejanza geométrica entre dos cuerpos distintos es definida como la relación lineal homogénea existente entre dos variables correspondientes. Si disponemos de un objeto a gran escala llamado prototipo y uno a escala pequeña llamado modelo, dispondremos al igual de dos variables, una para cada uno, donde al existir una relación lineal homogénea de estas, existe semejanza.

La semejanza geométrica puede ser total o parcial. Decimos que existe semejanza total cuando existe alguna relación lineal homogénea entre todas las magnitudes del modelo y del prototipo. El requisito básico de semejanza entre el modelo a escala y la estructura real es el de la semejanza geométrica.

REAL MODELO

c c w

w l

l

R= = = (10)

Cumplida la semejanza geométrica, debe establecerse la semejanza dinámica, la cual consiste en que la relación entre las fuerzas actuantes sobre la masa del modelo y la estructura real es constante.

2.2.3 TIPOS DE SEMEJANZA

Semejanza estática: Cuerpos geométricamente semejantes que son sometidos a esfuerzos por deformación constantes, siguen siendo geométricamente semejantes una vez deformados.

Semejanza cinemática: Sistemas geométricamente semejantes, muestran esta semejanza cuando los mismos puntos correspondientes en modelo y prototipo, presentan intervalos y trayectorias que sean geométricamente semejantes.

Semejanza dinámica: Sistemas en movimiento, geométricamente semejantes, presentan semejanza dinámica cuando las fuerzas aplicadas manifiestan el mismo comportamiento de las masas del modelo y prototipo. En semejanza dinámica se exige que el módulo elástico estimado para el modelo y el prototipo sean iguales.

(32)

2.3 INSTRUMENTACÍON BÁSICA PARA DESARROLLO

EXPERIMENTAL

Un desarrollo experimental tiene como objetivo la obtención de resultados, con los cuales se puedan realizar, conceptuar y validar o desechar las hipótesis acerca del fenómeno estudiado. Por lo tanto las herramientas utilizadas para el estudio experimental deben de proporcionar la confiabilidad necesaria en cuanto a comportamientos y esfuerzos resultantes. En estudios de movimiento del terreno, se ocupan equipos que ayuden a capturar información del análisis dinámico realizado.

Los equipos que se ven involucrados en estudios experimentales dinámicos se agrupan dependiendo de su funcionamiento. Basado en las distintas variables de medición se describen algunos instrumentos [12]:

2.3.1 CAPTADORES

Un captador convierte un parámetro físico (una presión, una temperatura o una posición por ejemplo) en otro parámetro, generalmente una señal eléctrica. El LVDT (Transformador Diferencial de Variación Lineal) y el MEDIO-PUENTE son dos alternativas diferentes de medición. Los captadores LVDT y MEDIO-PUENTE convierten el movimiento de un núcleo en un campo magnético de una bobina a una señal eléctrica variable. Este proceso consiste en que cuando el núcleo se encuentra en la posición central genera dos señales de voltaje idénticas, ocasionando que con los desplazamientos de este núcleo los voltajes se vean modificados. La diferencia voltaica genera un parámetro de desplazamiento proporcional a ésta.

(33)

2.3.2 ACELERÓMETROS

Los acelerómetros son elementos formados por una masa ya especificada, en los cuales se genera eléctricamente un voltaje proporcional a la cantidad de movimiento de dicha masa, obteniendo las aceleraciones del sistema. Estos sistemas pueden constar de elementos capaces de medir en tres direcciones ortogonales la magnitud de la aceleración, ya que la medición se realiza conforme al eje central de cada dirección en la que se presentan las vibraciones. En ocasiones estos dispositivos debido a su tamaño requieren de aditamentos los cuales amplifican la señal de voltaje, para obtener las aceleraciones correspondientes al sistema.

2.3.3 GALGAS EXTENSOMÉTRICAS

Las galgas consisten en pequeñas placas o láminas, las cuales contiene un circuito de resistencia eléctrica en el que cualquier cambio en la deformación de ésta genera una variación en la longitud, por lo que la resistencia ya especificada cambia y genera una variación proporcional a la deformación. . Estos sistemas requieren un cuidado especial debido a su consistencia y delicadeza.

2.3.4 MESA VIBRATORIA

La mesa vibratoria está integrada por varios elementos y sistemas, cada uno de estos implementados para desarrollar ensayos dinámicos experimentalmente. La Mesa Vibratoria consta de: el sistema básico de medición dinámica o de vibración que está conformado por el captador, el acondicionador de señal y una unidad de grabado; el sistema de adquisición de datos que se emplea para medir y registrar las señales obtenidas de los captadores, el sistema de adquisición de datos tiene como función el ampliar, modificar o seleccionar las señales recibidas; los elementos de medición a base de captadores que sirven para la conversión de señales físicas a eléctricas generando los resultados de medición; el monitor de presentación que sirve para desplegar las señales de entrada y de la misma forma presentar gráficamente las señales resultantes además el equipo cuenta con una memoria para registro y grabación de las señales.

(34)

de sus extremos. El actuador es el encargado de convertir las señales del sistema de adquisición de datos a movimientos, semejando las aceleraciones de los sismos capturados por el sistema.

2.4 REGISTROS Y BASES DE DATOS SISMOLÓGICOS

La información acerca de los fenómenos sísmicos, es capturada y editada por distintas instituciones, las cuales se encargan del estudio de dichos fenómenos y crean registros de los eventos. El Sistema Sismológico Nacional tiene como finalidad proporcionar información oportuna sobre la ocurrencia de sismos y determinar sus principales parámetros como son la magnitud y el epicentro. Actualmente, el Servicio Sismológico Nacional, cuenta con cerca de 50 equipos para el registro de temblores, organizado en diferentes subredes [13]:

Red de Banda Ancha Red del Valle de México Red Sismológica Convencional

2.4.1 RED DE BANDA ANCHA

La Red Sismológica de Banda Ancha está configurada para monitorear la sismicidad en las regiones de mayor potencial sísmico dentro de la República Mexicana. Las estaciones se localizan a lo largo de las costas del Océano Pacífico y del Golfo de México particularmente en Veracruz, así como en el eje neovolcánico. La red consiste actualmente de 18 estaciones en operación y se planea instalar 3 estaciones adicionales en un futuro próximo.

2.4.2 RED DEL VALLE DE MÉXICO

(35)

2.4.3 RED SISMOLÓGICA CONVENCIONAL

Este sistema consta de 15 estaciones las cuales a través una red de microondas realiza la transmisión de datos a la Estación Central localizada en el Instituto de Geofísica de la UNAM (IGF). La transmisión de los datos se realiza en tiempo real llegando también al Sistema Sismológico Nacional (SSN) a través de líneas telefónicas privadas. El SSN cuenta actualmente con 7 estaciones que operan en forma autónoma grabando “in situ” las señales sísmicas sobre papel.

2.4.4 OBSERVATORIOS SISMOLÓGICOS DE BANDA ANCHA

El Sistema Sismológico Nacional (SSN) se conforma también de 22 observatorios sísmicos a lo largo del territorio nacional hasta hoy, proponiéndose el multiplicar estos sistemas en el país.

2.4.5 CENTRO DE INSTRUMENTACIÓN Y REGISTRO SÍSMICO (CIRES)

El Centro de Instrumentación y Registro Sísmico, A.C. (CIRES), es una asociación encargada de promover el desarrollo de investigaciones tecnológicas, para ser aplicadas en la instrumentación sísmica, con el objetivo de informar sobre cualquier acontecimiento sísmico que pudiese ocurrir, para la prevención y mitigación de desastres [14].

La información recaudada por el CIDES por medio de la Red Acelerográfica de la ciudad de México (RACM), ha permitido nuevos desarrollos y variantes enfocadas al diseño sísmico del Reglamento de Construcción del DF.

(36)

Instituciones con las que el CIRES colabora:

• International Association of Seismology and Physics of the Earth’s Interior, IASPEI • United States Geological Survey, USGS

• Electric Power Research Institute, EPRI • EQE International

• Centre National de la Recherche Scientifique, Universite Mont Pelliere II, CNRS, de Francia

2.5 APLICACIONES DE DISTINTOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO

A lo largo del planeta el uso de distintas técnicas de aislamiento se ve influenciado por las condiciones particulares de la estructura en estudio. Cada sistema tiene como objetivo principal el mitigar el movimiento de terreno, siendo así que conforme a la estructura, ya sea su tamaño, peso y distribución, el sistema se acopla y funciona congruentemente a estas condiciones.

2.5.1 SISTEMAS DE PÉNDULO DE FRICCIÓN

Los sistemas basados en el concepto de péndulo con fricción se han distribuido a varios países del mundo, principalmente para edificios, aunque también son efectivos y económicos para pequeñas construcciones, puentes, tanques y diversos edificios. Este sistema consiste en lograr un movimiento de péndulo en la estructura, colocando bases esféricas cóncavas en los puntos de apoyo, permitiendo que la estructura oscile al ser sometida a movimientos sísmicos, simulando un movimiento de péndulo invertido. El Dr. Víctor Zayas desarrolló el concepto del sistema de Péndulo de fricción (Figura 2) con la idea de disminuir percances a las construcciones [15].

(37)

A continuación se describen brevemente algunas aplicaciones del sistema de péndulo de fricción:

Corte de Apelaciones en EE.UU.- Rehabilitación y refuerzo de edificio histórico de Apelaciones de EE.UU. en San Francisco en 1994.

Terminal del Aeropuerto Internacional de San Francisco.- Diseñado por Skidmore, Owings Merrill, y el Dr. Anoop Mokha. La estructura aislada sísmicamente a base de péndulos de fricción resiste sismos de hasta 8 grados de magnitud Richter, evitando así daños estructurales y causando efectos mínimos a la arquitectura.

Tanques de licuado de Gas Natural, Grecia.- Estos tanques contenedores de productos flamables situados en una zona de alto riesgo sísmico, necesitaron un sistema capaz de proporcionar mayor seguridad. El sistema fue diseñado para proteger la estructura del tanque y su contenido, proporcionándole seguridad y factibilidad operacional después de un sismo.

2.5.2 CIMENTACIÓN CINEMÁTICA

(38)

Figura 3. Sistemas de Cimentación Cinemática.

El sistema fue implementado en Campbell Hall Western College Monmouth en Oregon, EUA, con la idea de mantener la construcción en pie, ya que debido a su deterioro y consecuente rehabilitación, era necesario protegerla por la antigüedad de ésta y la simbología que representa.

2.5.3 COJINETES ELASTOMÉRICOS

El uso de sistemas basados en cojinetes elastoméricos se ha implementado en muchas ocasiones, siendo uno de los principales sistemas, debido a su facilidad y buen funcionamiento [17]. El sistema de cojinetes estudiado por el Dr. James M. Kelly ya ha sido implementado en distintos países y estructuras variadas, aplicable para construcciones de baja y gran altura, y con un fácil método de cálculo y eficiencia de diseño [18].

(39)

2.5.3.1 Aplicaciones en EE.UU.

Centro de Justicia y Leyes comunitarias.- El edificio terminado en 1985, consiste en 4 claros, con una cimentación adaptada al sistema de cojinetes de caucho reforzados por placas de acero.

Departamento de control de Incendios de Los Ángeles.- EL sistema de cojinetes elastoméricos fue adoptado en 1990 para esta construcción.

Hospital Universitario de la Universidad del Sur de California. .- Soportado por sistemas elastoméricos y de caucho en cada una de sus bases.

2.5.3.2 Aplicaciones en el Mundo

Compañía de Energía eléctrica Tohoku, Japón.- Una construcción cerca de 47,000 metros cuadrados soportada pos 120 dispositivos elastoméricos actuando en conjunto con amortiguadores.

(40)

3CAPÍTULO 3

DESARROLLO EXPERIMENTAL

3.1 INTRODUCCIÓN

Los procesos de medición y cálculo de cualquier estructura, dispositivo o sistema, deben estar fundamentados teórica y experimentalmente, coadyuvando así a resultados idóneos que representen la similitud del proceso ante estas dos vertientes de estudio teórica y experimental.

El desarrollo experimental es utilizado como comparativa, mediante un análisis de resultados, para la comprobación de comportamiento de nuevos procesos u componentes estructurales, y es en sí la facultad primordial de este estudio. El proyecto estudiado y presentado en esta Tesis, desarrolla experimentalmente, un dispositivo capaz de restituir los desplazamientos de un sistema de aislamiento sísmico pasivo, a base de fricción para la Tecnovivienda, que cumple con la finalidad de disminuir desplazamiento y actuar como un dispositivo amortiguador del sistema.

Este capítulo describe el diseño experimental, desde la determinación de las características del experimento, como son la selección de la vivienda, los materiales de dicha vivienda y su construcción, así como los parámetros de ensayo y descripción de la mesa vibratoria. Los sismos a los cuales se somete a la estructura, su escala y sus mecanismos de disipación de energía y el sistema de restitución de desplazamientos son algunas de las características del proyecto estudiadas en esta parte del texto.

3.2 ANTECEDENTES

(41)

de Interés Social” [19]. Como resultado se obtuvo un comportamiento desfavorable para la estructura desplantada sobre el sistema de aislamiento sísmico pasivo, al ocasionar desplazamientos descontrolados que radican en cambiar continuamente su ubicación, al permitirle desplazarse libremente, determinando el confinarla para evitar desplazamientos excesivos.

Se concluye la necesidad de incorporar un dispositivo de control y restitución de desplazamientos, colocados en la periferia de la vivienda con aislamiento sísmico, para amplificar su rigidez y disminuir los desplazamientos, manteniéndola delimitada por un anillo periférico a su contorno.

3.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO

3.3.1 TECNOVIVIENDA - PROPUESTA DE VIVIENDA EXPERIMENTAL

El sistema constructivo Tecnovivienda fue desarrollado en el 2005 por La Cátedra de Vivienda del Centro de Diseño y Construcción del Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. El sistema fue diseñado con el objetivo de satisfacer los requerimiento de rapidez de construcción, funcionalidad y bajo costo, participando en la disminución del desabasto de vivienda principalmente del tipo medio bajo y popular de nuestro país (Figura 5).