Diseño del anteproyecto “Hospital Rio Seco – Arequipa” con aislamiento de base

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. TOMO I “DISEÑO DEL ANTEPROYECTO “HOSPITAL RIO SECO – AREQUIPA” CON AISLAMIENTO DE BASE”. Tesis presentada por los bachilleres: GONZALES YANARICO, DAVE ANTHONY GUTIERREZ HUISA, RONNIE RAUL Para optar el Título Profesional de INGENIERO CIVIL. Asesor de tesis: ING. FERNANDO U. ENCISO MIRANDA. AREQUIPA – PERÚ 2019.

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(3) DEDICATORIA. A mi preciada y amorosa madre, a mi dedicado padre, a mi singular pero no tan contrariada hermana: Soledad, Ricardo y Alice, quienes forjaron mi paciencia y carácter en el orden de mi vida. Por su gran motivación y apoyo, a ellos, mi tan apreciada familia, el motor en mi vida.. Dave. A mis maravillosos padres, María Luisa y Elard, por ser siempre mis pilares de amor y bondad, a mi querido hermano, Gilmar, por su gran apoyo, que motivaron en mí el estudio de la ingeniería más hermosa de las ingenierías, la ingeniería civil.. Ronnie.

(4) AGRADECIMIENTOS Agradecemos con mucho aprecio a nuestro asesor, el Ingeniero Fernando U. Enciso Miranda, por su gran apoyo durante la realización de este proyecto de tesis, su ayuda en la cotización, las continuas revisiones, su orientación y preocupación por nuestro desarrollo. A nuestro amigo Néstor Quispe, por su invaluable apoyo y confianza durante el desarrollo de esta tesis y nuestros años en la universidad, al Ing. Ronald Purca por su orientación con algunas dudas de esta tesis, al señor Ives Gonzalez, la señorita Nilda Linares y en particular manera a la señorita Norma Gonzales por su orientación y ayuda en la presentación de nuestro proyecto de tesis. A los ingenieros docentes de nuestra alma máter la Facultad de Ingeniería Civil, FIC – UNSA, por brindarnos tantos conocimientos y vastas experiencias de vida para lograr parte importante de nuestro crecimiento y formación como ingenieros civiles..

(5) RESUMEN En este trabajo se realiza el análisis y diseño con aislamiento de base del anteproyecto arquitectónico utilizado en el trabajo de tesis del año 2004: “Hospital Río Seco-Arequipa” (llamado “proyecto de tesis base” en adelante). Dicho trabajo se realizó principalmente bajo los requerimientos de la norma E.030 de 2003, por lo que se actualizó a los requerimientos de la publicación de octubre de 2018, la que especifica utilizar aislamiento de base para establecimientos de salud del segundo y tercer nivel según el MINSA utilizando el estándar ASCE/SEI 7 vigente (2016) en lo que sea aplicable. Este estándar hace hincapié en los límites de propiedades para las unidades de aislamiento, límites basados en su cambio de comportamiento ante diferentes condiciones que puedan ocurrir durante su vida útil y que finalmente definirán una envolvente de diseño que producirá un comportamiento más rígido o más flexible, determinándose que mientras más flexible mejor. Para realizar este trabajo se consideró, en lo posible, la estructuración realizada por el proyecto de tesis base. Conformando un módulo principal ABC y dos módulos pequeños D y E, el primero de 1500 m2 en planta, aproximadamente, 5 niveles de altura 3.15 m y en sistema estructural dual; los dos siguientes de 255 m2 con un solo nivel y en sistema estructural de albañilería confinada. Para los sistemas de aislamiento se utilizaron en total 6 tipos de unidades de aislamiento, 3 tipo LRB (elastoméricos con núcleo de plomo) y 3 tipo ESB (elastoméricos deslizantes). Se mantuvo el sistema de losas de piso, que trabajan gravitacionalmente, y se redujeron secciones de vigas y columnas, quitando la mayoría de placas estructurales. Así, se realizó la comparación de los módulos con base fija A, B y C (sumados) contra los resultados del módulo aislado ABC definido en este proyecto de tesis, determinándose un comportamiento satisfactorio: derivas del piso del orden de 0.002 contra 0.0073, base fija, una aceleración máxima de piso de 0.195 g contra 0.58 g (R=6) para base fija, y un ahorro aproximado de 22 % en presupuesto de superestructura que se ve opacado por la inclusión del presupuesto de piso técnico, muros de contención y sistema de aislamiento, resultando finalmente en un costo de 46 % más que el costo de estas estructuras con base fija.. Palabras clase: Aislamiento de base, aisladores elastoméricos con núcleo de plomo, aisladores elastoméricos deslizantes planos, comparación de costos..

(6) ABSTRACT In this work, there has been done the analysis and design with isolation system of the structural project worked as a thesis project in 2004: “Hospital Río Seco-Arequipa” (called “base thesis project”). That work was mainly made under requirements of E.030 standard, 2003, so it was updated to requirements of its publishment in october 2018, it specifies to use base isolation for health establishments of second and third level according to MINSA. The standard specifies to use ASCE/SEI 7 standard in force (2016) in what could be applied. That one emphasizes the bounding properties for isolation units, limits based on its behavior change under different conditions across its lifetime and that finally will define a design envelope which will produce a rigid or flexible behavior, concluding that the more flexible the better. It has been considered, as possible, the structuration from the base thesis project. Assembling a principal modulus ABC and the two little ones D and E, the area of the first one is about 1500 m2 on plant, 5 levels with 3.15 m and a dual structural system; the next two ones have 255 m2 with 1 unique level and a confined masonry structural system. There has been used 6 types of isolation units, 3 LRB types (elastomeric lead rubber bearings) and 3 ESB types (elastomeric sliding bearings). The floor systems have been remained, because of their gravitational working, and columns and beams sections has been reduced, removing most of the shear walls. In that way, it has been compared the A, B and C modulus of the base thesis project (add together) versus the ABC isolated modulus results of this thesis project. It results on a satisfactory behavior: floor drifts of 0.002 versus 0.0073, fixed base, floor accelerations of 0.195 g versus 0.58 g (R=6), fixed base, and an approximately saving of 22% at superstructure’s cost, which actually is 46% bigger than fixed base cost when we consider the isolation units, isolation system diaphragm and retaining walls needed for the isolation system.. Keywords: Base isolation, elastomeric lead rubber bearing, elastomeric sliding bearings, comparison of cost..

(7) INDICE DE CONTENIDOS INDICE DE CONTENIDOS ...................................................................................... I INDICE DE TABLAS .............................................................................................. IV INDICES DE FIGURAS ......................................................................................... IX TABLA DE CONVERSIONES ............................................................................... X CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN ........................................................................ 1 1.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1 1.2. OBJETIVOS Y ALCANCE ............................................................................. 2 1.3. METODOLOGÍA ............................................................................................ 2 CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO ..................................................................... 4 2.1. SISTEMAS DE AISLACIÓN DE BASE ........................................................ 4 2.1.1. Tipos de aisladores .................................................................................... 5 2.1.1.1. Aisladores elastoméricos..................................................................... 5 2.1.1.2. Aisladores deslizantes ......................................................................... 7 2.2. NORMATIVA Y CONSIDERACIONES PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL...................................................................................................... 10 2.2.1. Norma E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” ................................. 10 2.2.2. Proyecto de Norma de Aislamiento Sísmico en Perú, Norma E.031 ...... 12 2.2.2.1. Factores de modificación de las propiedades. ................................... 13 2.2.3. ASCE/SEI 7-16 “Minimum design loads for buildings and other structures” ............................................................................................................. 15 2.2.3.1. Requerimientos generales de diseño. ................................................ 15 2.2.3.2. Propiedades del sistema de aislamiento, límites superior e inferior. 18 2.2.3.3. Criterios para el movimiento de suelo .............................................. 19 2.2.3.4. Procedimientos de análisis. ............................................................... 23 2.2.3.5. Procedimiento de fuerza lateral equivalente. .................................... 24 2.2.3.6. Procedimientos de análisis dinámico espectral ................................. 27 2.2.4. Procedimiento de análisis y diseño de estructuras con aisladores de base…….. ............................................................................................................. 28 2.2.4.1. Procedimiento para el diseño de los aisladores elastoméricos con núcleo de plomo LRB. ....................................................................................... 29 2.2.4.1. Procedimiento para el diseño de los aisladores deslizantes planos. .. 33 2.2.4.1. Verificación de cargas axiales de aisladores elastoméricos .............. 35 2.3. PROYECTO DE TESIS BASE “HOSPITAL RIO SECO – AREQUIPA”, AÑO 2004……. ........................................................................................................ 40 2.3.1. Descripción del proyecto y extracción de datos. ..................................... 40 2.3.1.1. Estructuración. .................................................................................. 43 2.3.1.2. Cargas y combinaciones consideradas. ............................................. 44 2.3.1.3. Metrado de cargas. ............................................................................ 45 2.3.2. Análisis de los resultados. ....................................................................... 45 2.3.2.1. Resumen de resultados de análisis dinámico. ................................... 45 2.3.2.2. Resultados en costos y presupuestos. ................................................ 47. i.

(8) CAPITULO 3: ANÁLISIS ESTRUCTURAL .................................................... 52 3.1. ESTRUCTURACIÓN Y CARACTERÍSTICAS ........................................... 52 3.1.1. Predimensionamiento y dimensionamiento de elementos estructurales. 53 3.1.1.1. Losas. ................................................................................................ 53 3.1.1.2. Vigas estructurales. ........................................................................... 53 3.1.1.3. Columnas estructurales ..................................................................... 54 3.1.1.4. Muros de corte .................................................................................. 54 3.1.1.5. Escaleras............................................................................................ 54 3.2. METRADO DE CARGAS POR GRAVEDAD ............................................ 55 3.2.1. Metrado de cargas Módulo ABC. ........................................................... 55 3.2.2. Metrado de cargas módulos D y E .......................................................... 58 3.3. ESPECTRO DE DISEÑO PARA SUPERESTRUCTURAS CON BASE FIJA………….. ........................................................................................................ 60 3.4. MODELAMIENTO COMPUTACIONAL DE LA SUPERESTRUCTURA CON BASE FIJA DE MÓDULO ABC.................................................................... 61 3.4.1. Modelamiento computacional de superestructura. .................................. 61 3.4.1.1. Verificación de irregularidades estructurales en la superestructura. . 63 3.5. DISEÑO DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO DE MÓDULO ABC .......... 63 3.5.1. Elección de aisladores tipo LRB y ESB. ................................................. 64 3.5.2. Piso técnico y propuesta de sistema de aislamiento. ............................... 64 3.5.3. Espectro de diseño para el sismo máximo esperado (MCE). .................. 67 3.5.4. Diseño de unidades de aislamiento. ........................................................ 67 3.5.5. Desplazamientos, derivas, aceleraciones y fuerzas de piso. ................... 73 3.5.6. Cálculo de fuerza de diseño en subestructura. ........................................ 74 3.5.7. Cálculo de fuerza de diseño en superestructura. ..................................... 75 3.6. DISEÑO DE SISTEMA DE AISLAMIENTO DE MÓDULOS D y E ......... 76 3.6.1. Inclusión de piso técnico. ........................................................................ 77 3.6.2. Diseño de sistema de aislamiento............................................................ 78 3.6.3. Cálculo de fuerzas de diseño en la subestructura. ................................... 79 3.6.4. Cálculo de fuerzas de diseño en la superestructura. ................................ 80 CAPITULO 4: COMPARACIÓN DE LA RESPUESTA ESTRUCTURAL .. 81 4.1. RESULTADOS REFERIDOS A MOVIMIENTO ........................................ 81 4.2. FUERZAS CORTANTES DE DISEÑO........................................................ 85 4.3. COMPARACIÓN DE RESULTADOS ESTRUCTURALES ....................... 87 CAPITULO 5: DISEÑO ESTRUCTURAL ........................................................ 88 5.1. JUNTAS SÍSMICAS ...................................................................................... 88 5.2. FUERZAS DE DISEÑO. ............................................................................... 88 5.2.1. Sistema de Aislación y Subestructura. .................................................... 88 5.2.1.1. Unidades de aislamiento. .................................................................. 88 5.2.2. Superestructura. ....................................................................................... 88 5.3. ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE CONCRETO ARMADO .............. 89 5.3.1. Combinaciones de carga para la superestructura. ................................... 89 5.3.2. Factores de reducción de resistencia. ...................................................... 89 5.3.3. Losas de Piso. .......................................................................................... 89 5.3.4. Vigas estructurales. ................................................................................. 91 5.3.5. Columnas estructurales. .......................................................................... 96 ii.

(9) 5.3.6. Placas estructurales. .............................................................................. 100 5.3.7. Piso técnico. .......................................................................................... 105 5.3.7.1. Losa maciza..................................................................................... 106 5.3.7.2. Viga estructural. .............................................................................. 107 5.3.7.3. Conexiones y anclajes. .................................................................... 108 5.3.7.4. Pedestales. ....................................................................................... 112 5.3.8. Cimentaciones. ...................................................................................... 115 5.3.8.1. Zapata aislada. ................................................................................. 116 5.3.9. Muro de contención. .............................................................................. 119 5.3.10. Muros de tabiquería. .............................................................................. 122 5.3.11. Escalera tipo alfombra. .......................................................................... 125 5.3.12. Elementos no estructurales. ................................................................... 127 CAPITULO 6: ANALISIS Y COMPARACIÓN DE COSTOS Y PRESUPUESTOS .................................................................................................. 128 6.1. PLANOS ESTRUCTURALES .................................................................... 128 6.2. METRADOS Y PRESUPUESTO ............................................................... 128 6.2.1. Aplicación de fórmula polinómica. ....................................................... 133 6.2.1.1. Proyecto de tesis base – estructuras con base fija. .......................... 133 6.2.1.2. Proyecto de tesis – estructuras con base aislada. ............................ 134 6.3. COMPARACIÓN DE METRADOS ........................................................... 137 CONCLUSIONES .................................................................................................. 138 RECOMENDACIONES ........................................................................................ 141 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 142 ANEXOS………. .................................................................................................... 144 A01. ANEXO 01: EXTRACTO DE RESULTADOS DE ANÁLISIS DINÁMICO DE PROYECTO DE TESIS BASE ........................................................................ 144 A01.1. Módulos A y C. ..................................................................................... 144 A01.2. Módulo B............................................................................................... 145 A01.3. Módulos D y E ...................................................................................... 147 A01.4. Tanque elevado y fuste. ......................................................................... 148 A02. ANEXO 02: RESULTADOS DE MODELAMIENTO DE SUPERESTRUCTURA MÓDULO ABC CON BASE FIJA. ............................... 149 A03. ANEXO 03: VERIFICACIÓN DE IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN LA SUPERESTRUCTURA. .......................................... 151 A04. ANEXO 04: RESULTADOS PARA CARGAS AXIALES SOBRE UNIDADES DE AISLAMIENTO PARA EL MÓDULO ABC. ........................... 153 A05. ANEXO 05: ESPECTRO DE DISEÑO PARA EL SISMO MÁXIMO CREÍBLE…….. ...................................................................................................... 155 A06. ANEXO 06: DISEÑO DE UNIDADES DE AISLAMIENTO DEL MÓDULO ABC…………. ....................................................................................................... 157 A06.1. Cálculo del efecto P-delta. .................................................................... 168 A07. ANEXO 07: CÁLCULO DE FUERZAS DE DISEÑO EN SUPERESTRUCTURA.......................................................................................... 171 A08. ANEXO 08: DISEÑO DE SISTEMA DE AISLAMIENTO PARA LOS MÓDULOS D y E .................................................................................................. 175 iii.

(10) A08.1. Modelamiento computacional de superestructuras. .............................. 175 A08.2. Verificación de aisladores ..................................................................... 179 A09. ANEXO 09: ÍNDICES UNIFICADOS. ....................................................... 183 A09.1. Valores de índices unificados para diciembre de 2004. ........................ 183 A09.2. Valores de índices unificados para enero de 2019. ............................... 184 A10. ANEXO 10: VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN PÓRTICO CON BASE AISLADA EN PROGRAMA DE MODELAMIENTO ESTRUCTURAL. ................................................................................................... 185 A10.1. Pórtico con base aislada calculado paso a paso..................................... 186 A10.2. Pórtico con base aislada en programa de modelamiento estructural. .... 189 A11. ANEXO 11: PLANOS ARQUITECTÓNICOS .................................. TOMO II A12. ANEXO 12: PLANOS ESTRUCTURALES ...................................... TOMO II. INDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Aceleración PGA para suelo rígido, norma E.030 .................................. 11 Tabla 2.2. Propiedades para distintos perfiles de suelo, norma E.030 ..................... 11 Tabla 2.3. Factores de amplificación del suelo por perfil de suelo, norma E.030. .. 11 Tabla 2.4. Periodos Tp y TL para cada perfil de suelo, norma E.030. ...................... 12 Tabla 2.5. Categoría y regularidad de edificaciones aisladas, proyecto de norma E.031…………. ........................................................................................................ 13 Tabla 2.6. Factores λ para fabricantes desconocidos, norma E.031. ........................ 14 Tabla 2.7. Factores λ para fabricantes calificados, norma E.031. ............................ 14 Tabla 2.8. Desempeño para el menor, moderado y mayor sismo esperado. ............ 15 Tabla 2.9. Irregularidades estructurales según ASCE 7-16, resumen de tablas 12.3-1 y 12.3-2 del estándar. ................................................................................................ 16 Tabla 2.10. Aceleraciones de diseño propuestas para la norma de aislamiento en el Perú………….. ......................................................................................................... 20 Tabla 2.11. Factores de amplificación Fa y parámetros asociados a las condiciones de sitio……………. ...................................................................................................... 20 Tabla 2.12. Factores Fv para el diseño de edificios con aislación sísmica en Perú. . 20 Tabla 2.13. Coeficientes para obtener la aceleración del sismo máximo probable.. 21 Tabla 2.14. Factor de amortiguamiento, BM ........................................................... 21 Tabla 2.15. Distribución de áreas del anteproyecto base. ........................................ 43 Tabla 2.16. Cargas muertas y viva consideradas para el proyecto de tesis base. ..... 44 Tabla 2.17. Resumen metrado de cargas Módulos A y C. ....................................... 45 Tabla 2.18. Resumen metrado de cargas Módulo B. ................................................ 45 Tabla 2.19. Resumen metrado de cargas Módulo D. ............................................... 45 Tabla 2.20. Resumen metrado de cargas Módulo E. ................................................ 45 Tabla 2.21. Resumen analítico de módulos A y C del proyecto de tesis base. ........ 45 Tabla 2.22. Resumen analítico de módulo B del proyecto de tesis base. ................. 46 Tabla 2.23. Resumen analítico de módulos D y E del proyecto de tesis base. ........ 46 Tabla 2.24. Resumen de aceleraciones y fuerzas de piso (X-X) para módulos A, B y C del proyecto de tesis base. ..................................................................................... 46 Tabla 2.25. Resumen de aceleraciones y fuerzas de piso (Y-Y) para módulos A, B y C del proyecto de tesis base. ..................................................................................... 47 iv.

(11) Tabla 2.26. Distribución de fuerzas en fuste de tanque elevado. ............................. 47 Tabla 2.27. Resumen del presupuesto del proyecto de tesis base. ........................... 48 Tabla 2.28. Presupuestos consolidados del proyecto de tesis base. ......................... 51 Tabla 3.1. Secciones de vigas estructurales para superestructura. ........................... 54 Tabla 3.2. Resumen de metrado módulo ABC. ........................................................ 58 Tabla 3.3. Metrado de cargas módulo D. ................................................................. 59 Tabla 3.4. Metrado de cargas módulo E. .................................................................. 60 Tabla 3.5. Parámetros para elaborar espectros de diseño según norma E.030-2016 60 Tabla 3.6. Resumen de resultados para superestructura módulo ABC (sismo X-X) 62 Tabla 3.7. Resumen de resultados para superestructura módulo ABC (sismo Y-Y) 62 Tabla 3.8. Resumen de verificaciones de irregularidad. .......................................... 63 Tabla 3.9. Propiedades de los materiales para unidades de aislamiento. ................. 68 Tabla 3.10. Propiedades mecánicas para aisladores del módulo ABC. ................... 71 Tabla 3.11. Propiedades mecánicas para el límite superior de propiedades – módulo ABC…………….. .................................................................................................... 71 Tabla 3.12. Propiedades mecánicas para el límite inferior de propiedades – módulo ABC………….. ........................................................................................................ 71 Tabla 3.13. Resumen de resultados para módulo ABC aislado. .............................. 74 Tabla 3.14. Cortante de diseño en subestructura de módulo ABC. .......................... 74 Tabla 3.15. Fuerzas de piso de diseño en módulo ABC, sismo X-X. ...................... 76 Tabla 3.16. Fuerzas de piso de diseño en módulo ABC, sismo Y-Y. ...................... 76 Tabla 3.17. Propiedades nominales para SA de módulo D y E. ............................... 79 Tabla 3.18. Resumen de resultandos dinámicos de módulo D. ................................ 79 Tabla 3.19. Resumen de resultados por análisis dinámico de módulo E ................. 79 Tabla 3.20. Cálculo de fuerza Vb para módulos D y E. ........................................... 79 Tabla 3.21. Envolvente de fuerzas de diseño por piso en dirección X-X. ............... 80 Tabla 3.22. Envolvente de fuerzas de diseño por piso en dirección Y-Y. ............... 80 Tabla 4.1. Resultados relacionados a movimiento, sismo dirección X-X. ............... 84 Tabla 4.2. Resultados relacionados a movimiento, sismo en dirección Y-Y. .......... 84 Tabla 4.3. Resultados relacionados a fuerzas, sismo en dirección X-X. .................. 85 Tabla 4.4. Resultados relacionados a fuerzas, sismo en dirección Y-Y. .................. 86 Tabla 5.1. Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo. ..................................... 88 Tabla 5.2. Aisladores elastoméricos deslizantes. ..................................................... 88 Tabla 5.3. Factores de reducción de resistencia. ...................................................... 89 Tabla 5.4. Metrado de cargas en losa aligerada unidireccional, h=0.20m. .............. 90 Tabla 5.5. Diseño por flexión de losa aligerada unidireccional. .............................. 91 Tabla 5.6. Diseño por flexión de viga para primer y segundo tramo. ...................... 94 Tabla 5.7. Diseño por corte de la viga para primer y segundo tramo. ..................... 95 Tabla 5.8. Cargas sin amplificar para columna C-1. ................................................ 97 Tabla 5.9. Combinaciones de diseño para columna C-1. ......................................... 97 Tabla 5.10. Puntos φP-φM para diagrama de interacción C-1. ............................... 97 Tabla 5.11. Diagrama de interacción, cargas en dirección X-X............................... 98 Tabla 5.12. Diagrama de interacción, cargas en dirección Y-Y............................... 98 Tabla 5.13. Momentos nominales según Pu. ............................................................ 99 Tabla 5.14. Cargas sin amplificar para la placa circular. ....................................... 100 Tabla 5.15. Combinaciones de diseño para placa circular. .................................... 100 v.

(12) Tabla 5.16. Puntos φP-φMn para diagrama de interacción placa PL-A. ............... 101 Tabla 5.17. Diagrama de interacción, cargas en dirección X-X............................. 101 Tabla 5.18. Diagrama de interacción, cargas en dirección Y-Y............................. 101 Tabla 5.19. Cargas requeridas para pedestal 1.10mx1.10mx0.60m ....................... 113 Tabla 5.20. Cargas sobre zapata aislada ZS-3. ....................................................... 117 Tabla 5.21. Verificación de cargas en zapata aislada. ............................................ 117 Tabla 5.22. Verificación por punzonamiento en zapata aislada. ............................ 118 Tabla 5.23. Cargas ortogonales sobre área en tabiquería. ...................................... 123 Tabla 5.24. Coeficientes de momentos para cargas ortogonales en albañilería. .... 123 Tabla 5.25. Momento máximo MS por cargas ortogonales en albañilería. ............ 124 Tabla 6.1. Monomios para fórmula polinómica de módulo A. .............................. 133 Tabla 6.2. Costo de proyecto de tesis base a enero de 2019. ................................. 134 Tabla 6.3. Monomios para fórmula polinómica de módulo ABC. ......................... 134 Tabla 6.4. Monomios para fórmula polinómica de módulo D. .............................. 134 Tabla 6.5. Monomios para fórmula polinómica de módulo E................................ 135 Tabla 6.6. Costo de unidades de aislamiento. ........................................................ 135 Tabla 6.7. Costo de proyecto de tesis a enero de 2019. ......................................... 136 Tabla A01.1. Pesos sísmicos por piso. Módulo A y C. .......................................... 144 Tabla A01.2. Cortante basal para el análisis estático de los módulos A y C. ........ 144 Tabla A01.3. Análisis dinámico, masas participativas por modo y periodo de vibración de los módulos A y C del proyecto de tesis base.................................... 145 Tabla A01.4. Desplazamientos de centros de masa de los módulos A y C del proyecto de tesis base, según nivel. ....................................................................................... 145 Tabla A01.5. Aceleraciones y fuerzas de piso para módulos A y C del proyecto de tesis base………… ................................................................................................ .145 Tabla A01.6. Pesos sísmicos por piso, Módulo B. ................................................. 145 Tabla A01.7. Cortante estático del módulo B del proyecto de tesis base. ............. 146 Tabla A01.8. Análisis dinámico, masas participativas por modo y periodo de vibración del módulo B del proyecto de tesis base. ................................................ 146 Tabla A01.9. Desplazamientos de centros de masa del módulo B del proyecto de tesis base, según nivel. .................................................................................................... 146 Tabla A01.10. Aceleraciones y fuerzas de piso para módulo B del proyecto de tesis base……………. .................................................................................................... 147 Tabla A01.11. Pesos sísmicos por piso, módulos D y E del proyecto de tesis base147 Tabla A01.12. Cortante estático de módulos D y E del proyecto de tesis base. ... 147 Tabla A01.13. Análisis dinámico, masas participativas por modo y periodo de vibración de módulos D y E del proyecto de tesis base. ........................................ 147 Tabla A01.14. Desplazamientos de centros de masa de módulos D y E del proyecto de tesis base…… .................................................................................................... 148 Tabla A01.15. Distribución de fuerzas, tanque elevado. ....................................... 149 Tabla A02.1. Masas participativas para superestructura de módulo ABC. ............ 150 Tabla A02.2. Desplazamientos y derivas de piso superestructura del módulo ABC (sismo X-X)………. ............................................................................................... 150 Tabla A02.3. Desplazamiento y derivas de piso superestructura de módulo ABC (sismo Y-Y)….. ...................................................................................................... 150 Tabla A02.4. Aceleraciones de piso para superestructura módulo ABC (sismo XX)……………. ....................................................................................................... 151 vi.

(13) Tabla A02.5. Aceleraciones de piso para superest. módulo ABC (sismo Y-Y)… 151 Tabla A02.6. Fuerzas de piso para superestructura módulo ABC (sismo X-X) .... 151 Tabla A02.7. Fuerzas de piso para superestructura módulo ABC (sismo Y-Y) .... 151 Tabla A03.1. Verificación de piso blando (sismo Y-Y) superest. módulo ABC… 152 Tabla A03.2. Verificación de piso blando (sismo X-X) superest. módulo ABC. .. 152 Tabla A03.3. Verificación de discontinuidad de diafragma en superest. módulo ABC………..… ...................................................................................................... 152 Tabla A03.4. Verificación de esquinas entrantes. .................................................. 152 Tabla A03.5. Verificación de irreg. torsional (sismo X-X) para superestructura de módulo ABC…….. ................................................................................................. 153 Tabla A03.6. Verificación de irreg. torsional (sismo Y-Y) para superestructura de módulo ABC……… ............................................................................................... 153 Tabla A04.1. Grilla para ubicación de unidades de aislamiento en módulo ABC. 153 Tabla A04.2. Cargas axiales para peso sísmico para unidades de aislamiento de módulo ABC…….. ................................................................................................. 155 Tabla A05.1. Parámetros requeridos para elaborar espectro de diseño .................. 155 Tabla A05.2. Valores del espectro de diseño. ........................................................ 156 Tabla A06.1. Características requeridas para diseño del sistema de aislamiento módulo ABC……… ............................................................................................... 157 Tabla A06.2. Propiedades de los materiales de unidades de aislamiento. ............. 157 Tabla A06.3. Diseño de unidades de aislamiento de módulo ABC. ...................... 158 Tabla A06.4. Cálculo de la máxima carga a compresión según la deformación.... 159 Tabla A06.5. Propiedades mecánicas nominales – aisladores módulo ABC. ........ 159 Tabla A06.6. Límite sup. de prop. mecánicas para aisladores – módulo ABC ...... 160 Tabla A06.7. Límite inf. de prop. mecánicas para aisladores – módulo ABC… ... 160 Tabla A06.8. Masas participativas para límite sup. de prop. – módulo ABC…… 160 Tabla A06.9. Masas participativas para propiedades nominales – módulo ABC. . 160 Tabla A06.10. Masas participativas para límite inf. de prop. – módulo ABC….. 161 Tabla A06.11. Desplazam. total máx. para sismo MCE X-X en módulo ABC…. 161 Tabla A06.12. Desplazam. total máx. para sismo MCE Y-Y en módulo ABC…. 161 Tabla A06.13. Aceleraciones de piso para sismo MCE X-X en módulo ABC. .... 161 Tabla A06.14. Aceleraciones de piso para sismo MCE Y-Y en módulo ABC. .... 162 Tabla A06.15. Fuerzas de piso para sismo MCE X-X y Y-Y en módulo ABC. ... 162 Tabla A06.16. Cálculo de rigidez torsional en und. de aislam. – módulo ABC. .. 163 Tabla A06.17. Mínimo valor de desplaz. total máximo. para módulo ABC……. 164 Tabla A06.18. Verificación por deformación lateral – módulo ABC. .................. 164 Tabla A06.19. Verificación por estabilidad o pandeo – módulo ABC.................. 164 Tabla A06.20. Verificación por volteo o rollout – módulo ABC. ......................... 164 Tabla A06.21. Verificación de cargas axiales en und. de aislam. de módulo ABC165 Tabla A06.22. Máxima carga axial a compresión para aisladores tipo. ................ 166 Tabla A06.23. Resistencia a tracción para aisladores tipo. ................................... 166 Tabla A06.24. Verificación de fza. de viento para activón del sistema…………. 167 Tabla A06.25. Mínima fuerza de activación del sistema. ..................................... 167 Tabla A06.26. Fuerza de restitución del sistema para límite superior. ................. 167 Tabla A06.27. Fuerza de restitución para propiedades nominales. ....................... 168 Tabla A06.28. Fuerza de restitución del sistema para límite inferior.................... 168 Tabla A06.29. Desplazamiento por unidad de aislamiento para límite superior. .. 169 vii.

(14) Tabla A06.30. Momentos flectores por efecto P-delta para cada unidad de aislamiento……. ..................................................................................................... 170 Tabla A07.1. Cortante de diseño Vb para módulo ABC. ....................................... 171 Tabla A07.2. Cálculo de Vs base para módulo ABC. ............................................ 171 Tabla A07.3. Cálculo de primer límite de Vs. ........................................................ 171 Tabla A07.4. Cálculo del segundo límite de Vs. .................................................... 171 Tabla A07.5. Cálculo del tercer límite de Vs. ........................................................ 172 Tabla A07.6. Cálculo de Vb3 por 1.5 veces las propiedades nominales................ 172 Tabla A07.7. Cálculo de Vs y parámetros para fuerzas de piso. ............................ 172 Tabla A07.8. Fuerzas de piso por análisis FLE para el límite sup. de prop. X-X…172 Tabla A07.9. Fuerzas de piso por análisis FLE para el límite sup. de prop. Y-Y .. 173 Tabla A07.10. Fuerzas de piso por análisis FLE para prop. nominales, X-X. ...... 173 Tabla A07.11. Fuerzas de piso por análisis FLE para prop. nominales, Y-Y… ... 173 Tabla A07.12. Fuerzas de piso por análisis FLE para límite inferior, X-X. .......... 173 Tabla A07.13. Fuerzas de piso por análisis FLE para límite inferior, Y-Y. .......... 174 Tabla A07.14. Cálculo de cortantes de piso para el modelo estructural, X-X. ..... 174 Tabla A07.15. Cálculo de cortantes de piso para modelo estructural, Y-Y .......... 174 Tabla A07.16. Fuerzas de diseño para superestructura módulo ABC, sismo X-X 175 Tabla A07.17. Fuerzas de diseño para superestructura módulo ABC, sismo Y-Y 175 Tabla A08.1. Peso sísmico para aislamiento de módulo D y E. ............................. 176 Tabla A08.2. Características de diseño para sistema de aislamiento. .................... 176 Tabla A08.3. Propiedades de unidades de aislamiento. ......................................... 177 Tabla A08.4. Diseño del sistema de aislamiento de módulos D y E. ..................... 177 Tabla A08.5. Propiedades nominales de aisladores de módulo D y E. .................. 178 Tabla A08.6. Límite superior de propiedades para módulos D y E. ...................... 178 Tabla A08.7. Límite inferior de propiedades para módulos D y E. ....................... 178 Tabla A08.8. Masas participativas y periodo para límite superior. ........................ 179 Tabla A08.9. Masas participativas y periodo para propiedades nominales. .......... 179 Tabla A08.10. Masas participativas y periodo para límite inferior. ...................... 179 Tabla A08.11. Resumen de resultados de módulo E aislado................................. 179 Tabla A08.12. Resumen de resultados de módulo D aislado. ............................... 179 Tabla A08.13. Verificación de aisladores por deformación. ................................. 180 Tabla A08.14. Verificación de aislador por estabilidad. ....................................... 180 Tabla A08.15. Verificación de aislador por volteo. .............................................. 180 Tabla A08.16. Resistencia a cargas axiales de aislador módulos D y E. .............. 180 Tabla A08.17. Máxima carga axial por sismo MCE X-X. .................................... 180 Tabla A08.18. Máxima carga axial por sismo MCE Y-Y. .................................... 180 Tabla A08.19. Mínima carga axial por sismo X-X. .............................................. 181 Tabla A08.20. Mínima carga axial por sismo Y-Y. .............................................. 181 Tabla A08.21. Momentos flectores por efecto P-delta. ......................................... 181 Tabla A08.22. Cálculo de Vb para módulos D y E. .............................................. 182 Tabla A08.23. Cálculo de Vs base para módulo E. ............................................... 182 Tabla A08.24. Cálculo de límites de Vs para módulo E. ...................................... 182 Tabla A08.25. Parámetros para repartir fuerzas de piso. ....................................... 182 Tabla A08.26. Fuerzas de piso de diseño en dirección X-X. ................................ 182 Tabla A08.27. Fuerzas de piso de diseño en dirección Y-Y. ................................ 183 viii.

(15) INDICES DE FIGURAS Figura 2.1. Estructura con aislamiento sísmico y con base fija ................................. 4 Figura 2.2. Efecto del sistema de aislamiento en la estructura. ................................. 5 Figura 2.3. Modelo bilineal usado en el diseño de aisladores sísmicos .................... 7 Figura 2.4. Diagrama esfuerzo-deformación de un aislador deslizante plano ........... 9 Figura 2.5. Comportamiento de aisladores tipo ESB ................................................ 9 Figura 2.6. Diagrama esfuerzo-deformación de aisladores tipo ESB. ..................... 10 Figura 2.7. Mapa de zonificación de peligro sísmico, Norma E.030 ...................... 11 Figura 2.8. Propuesta para el espectro de diseño de sistemas con aislación sísmica en Perú……………. ...................................................................................................... 22 Figura 2.9. Planta general del anteproyecto arquitectónico. .................................... 41 Figura 2.10. Corte B-B, módulo B y elevación de módulo E. ................................ 41 Figura 3.1. Espectros de diseño norma E.030-2016. ............................................... 61 Figura 3.2. Modelo estructural de superestructura de módulo ABC con base fija. . 61 Figura 3.3. Ubicación de unidades de aislamiento en módulo ABC. ...................... 65 Figura 3.4. Ubicación de pedestales en piso técnico, programa de cálculo. ............ 65 Figura 3.5. Grilla para ubicación de unidades de aislamiento en módulo ABC. ..... 66 Figura 3.6. Ubicación de aisladores en LRB y ESB para módulo ABC.................. 66 Figura 3.7. Ubicación de aisladores por tipo para módulo ABC. ............................ 66 Figura 3.8. Espectro de aceleraciones para el sismo máximo creíble/máximo esperado………. ....................................................................................................... 67 Figura 3.9. Gráfico fuerza-desplazamiento para límites del sistema de aislamiento……. ....................................................................................................... 72 Figura 3.10. Periodo para sistema de aislamiento con límite superior de propiedades – módulo ABC. ......................................................................................................... 72 Figura 3.11. Periodo para sistema de aislamiento con límite inferior de propiedades – módulo ABC. ......................................................................................................... 72 Figura 3.12. Esquema de momentos y cortantes por efecto P-delta. ...................... 75 Figura 3.13. Planta arquitectónica de módulos D y E............................................. 77 Figura 3.14. Ubicación y tipo de aisladores de base en módulos D y E. ................ 78 Figura 4.1. Comparación de desplazamientos. ........................................................ 82 Figura 4.2. Comparación de aceleraciones de piso. ................................................. 82 Figura 4.3. Comparación de máximas derivas de piso. ........................................... 83 Figura 4.4. Fuerzas de laterales de diseño por piso. ................................................ 86 Figura 5.1. Diagrama de cortantes en vigueta de losa aligerada.............................. 90 Figura 5.2. Diagrama de momentos flectores para losa aligerada unidireccional. .. 90 Figura 5.3. Ubicación de la viga V-107, en eje 7 y entre ejes F – J ........................ 92 Figura 5.4. Diagrama de cortantes y momentos flectores del primer tramo de viga……. 93 Figura 5.5. Diagrama de cortantes y momentos flectores del segundo tramo de viga…………….. ..................................................................................................... 93 Figura 5.6. Esquema de refuerzo longitudinal y transversal del primer y segundo tramo de la viga. ....................................................................................................... 96 Figura 5.7. Sección de columna C-1. ....................................................................... 97 Figura 5.8. Sección resultante del diseño de placa circular PL-A. ........................ 105 ix.

(16) Figura 5.9. Esquema de piso técnico con pedestales para aisladores. ................... 106 Figura 5.10. Momento flector y cortante para viga V-PTB. ................................. 107 Figura 5.11. Refuerzo longitudinal en viga de piso técnico VPT-B. .................... 108 Figura 5.12. Diagrama de interacción para pedestal. ............................................ 113 Figura 5.13. Diseño final de pedestal 1.10mx1.10m para aisladores tipo LRB. .. 115 Figura 5.14. Esquema de diseño de zapatas. ......................................................... 119 Figura 5.15. Modelo del muro de contención ....................................................... 120 Figura 5.16. Diagrama de momentos flectores (Tonf-m) y fuerzas cortantes (Tonf) en muro de contención ............................................................................................ 121 Figura 5.17. Distribución del acero de refuerzo en muro de contención .............. 122 Figura 5.18. Momentos flectores para elementos de confinamiento (Tonf-m) .... 124 Figura 5.19. Esquema de diseño de albañilería no estructural. ............................. 125 Figura 5.20. Representación de un tramo de diseño de escalera. ......................... 125 Figura 5.21. Esquema de diseño escalera tipo alfombra. ...................................... 127 Figura 6.1. Comparación de presupuestos. ............................................................ 136 Figura A.1. Modelo de tanque elevado considerado en el proyecto tesis base. ... 148 Figura A.2. Modelo estructural de superestructura de módulo ABC con base fija..................... ...................................................................................................... 149 Figura A.3. Espectro de aceleraciones para el sismo máximo creíble. ................ 156 Figura A.4. Modelo computacional de módulo D. .............................................. 175 Figura A.5. Modelo computacional de módulo E. ............................................... 176 Figura A.6. Pórtico con base aislada.................................................................... 186 Figura A.7. Cargas en pórtico modelado en programa. ....................................... 190 Figura A.8. Entrada de rigidez lateral para pórticos en programa de cálculo estructural……… ................................................................................................... 190 Figura A.9. Modos de vibración pórtico en programa de cálculo estructural. .... 191 Figura A.10. Espectro respuesta de diseño MCE utilizado. .................................. 191 Figura A.11. Resultados en desplazamientos pórtico programa de cálculo estructural………. .................................................................................................. 191 Figura A.12. Cortante de piso en pórtico programa de cálculo estructural. .......... 191 Figura A.13. Aceleraciones de piso en pórtico programa de cálculo estructural. . 192. TABLA DE CONVERSIONES A sistema internacional (S.I.):. 1.0Tonf  9810 Kg  m s 2 1.0Tonf  9810 N  9.81KN 1.0 KN  101.936 Kgf  0.102Tonf 1.0Tonf  m  9.81KN  m 1.0 Tonf m 2  9.81 KN m 2. x.

(17) Introducción. Capítulo 1. CAPITULO 1:. INTRODUCCIÓN. 1.1. INTRODUCCIÓN La actividad sísmica en Perú es producida, principalmente, debido al proceso de subducción de la placa oceánica de Nazca bajo la continental, Sudamericana. Al reconocer la presencia de este peligro en Perú es que el ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento publica una “Norma Técnica E.030 de Diseño Sismorresistente”, con su última actualización en octubre del año 2018. En esta norma se ha reconocido la importancia de mantener en servicio las edificaciones de carácter “esencial”, y para ello la filosofía de diseño en este tipo de edificaciones indica que debemos priorizar aquello, la operatividad. Para ello se propone la utilización de sistemas de protección contra sismos, como siguen, sistemas de aislamiento sísmico, sistemas de disipación de energía. Indicando que, en los establecimientos de salud de segundo y tercer nivel, según MINSA, y ubicados en zonas 3 y 4 de peligro sísmico, es obligatorio utilizar sistemas de aislamiento sísmico. Para la aplicación de estos sistemas se deben cumplir los requerimientos de la norma, tales como mínima fuerza cortante en la base, distorsión de entrepiso máxima permisible y en la medida en que sean aplicables los requisitos del documento: “Minimum Design Loads for Building and Other Structures”, ASCE/SEI 7, Structural Engineering Institute of the American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, USA, vigente. En junio del año 2018 se publica un proyecto de norma para el diseño con aislamiento sísmico en el Perú, E.031 “Proyecto de Norma Técnica Aislamiento Sísmico” para poder tener requisitos mínimos sobre diseño y construcción con aisladores, además de las pruebas requeridas para las unidades de aislamiento antes de ser colocadas. Dicho documento toma como referencia los requerimientos de diseño para aisladores propuestos por el ASCE/SEI 7-10, 7-16 y la norma de aislamiento sísmico de Chile, Actualidad de la normatividad peruana, (Casabonne, 2017). Por lo que, es importante tener referencias de qué implica un diseño con sistemas de aislamiento sísmico en edificaciones de categoría esencial A1 respecto de un diseño convencional, es decir, de acuerdo a requerimientos de una norma anterior, en este caso la NTE E.030 promulgada en 1997 con modificación en el año 2003 -1-.

(18) Introducción. Capítulo 1. (norma que se utilizó en la elaboración del anteproyecto “Hospital Río Seco, Arequipa”, año 2004, base de este proyecto de tesis).. 1.2. OBJETIVOS Y ALCANCE Objetivo General -. Realizar el análisis y diseño estructural del anteproyecto “Hospital Rio Seco – Arequipa” con aislamiento de base, aisladores de tipo LRB y deslizantes.. Objetivos Específicos -. Realizar el diseño de las edificaciones del anteproyecto “Hospital Rio Seco – Arequipa” cumpliendo los requerimientos de la actual norma Sismorresistente E.030.. -. Realizar el diseño de los elementos estructurales más representativos que configuran este anteproyecto (losas de techo, vigas, columnas, placas y cimentación).. -. Presentar un juego de planos estructurales para el diseño del anteproyecto planteado.. -. Obtener el presupuesto que indique la inversión a nivel de anteproyecto, hasta casco gris estructural a enero de 2019.. -. Efectuar un análisis comparativo del comportamiento estructural, la respuesta ante el sismo y el presupuesto entre el trabajo realizado por esta tesis y la tesis del anteproyecto base.. 1.3. METODOLOGÍA Se utilizan los datos del proyecto de tesis de pregrado presentado en 2004 por los Ingenieros Chirinos Bejarano, Juan Carlos y Carlos Javier, denominado “Análisis estructural y diseño en concreto armado del hospital “Río Seco-Arequipa”. Allí se plantea el proyecto estructural para el anteproyecto arquitectónico del hospital bajo los requerimientos de la norma E.030 de 2003 que permitía una estructura con base fija. Por lo que en este proyecto de tesis realizamos el diseño estructural con aislamiento de base para dicho anteproyecto arquitectónico.. -2-.

(19) Introducción. Capítulo 1. El desarrollo del presente proyecto de tesis enmarca 6 capítulos, y las secciones de conclusiones, recomendaciones y anexos. Se explica su desarrollo: Capítulo 1. Se presenta la introducción con el planteamiento del problema, los objetivos a alcanzar a partir de ello y se expone la metodología a seguir para lograrlo. Capítulo 2. Se expone brevemente la teoría básica acerca de las unidades de aislamiento sísmico utilizadas. Se expone la normativa utilizada y un procedimiento de análisis y diseño estructural para edificaciones con aislamiento de base. Por último, se exponen los datos a utilizar del proyecto de tesis base, tanto de análisis estructural como de metrados y costos. Capítulo 3. Se detallan los resultados obtenidos a partir de aplicar lo expuesto en el capítulo 2. Se realiza una estructuración considerando algunos criterios para edificaciones aisladas y se plantea el nuevo módulo ABC (que se comparará con los módulos A, B y C del proyecto de tesis base en el capítulo 4), y los módulos D y E, con aislamiento de base. Se realiza el análisis de las estructuras aisladas y el diseño de su aislamiento de base. Finalmente se determinan fuerzas de diseño para la superestructura y subestructura de cada módulo planteado. Capítulo 4. Se realiza un extracto de los datos más relevantes del análisis estructural realizado, comparándose el módulo ABC planteado en este proyecto de tesis (aislado, norma E.030-2016) contra los módulos A, B y C del proyecto de tesis base (no aislado, norma E.030-2003). Capítulo 5. Se exponen los resultados en cuanto a diseño estructural para este proyecto de tesis, escogiéndose un elemento estructural representativo y mostrando brevemente el desarrollo de su diseño. Capítulo 6. Se realiza la comparación en costo y metrado del presente proyecto de tesis contra el proyecto de tesis base. Se utilizan los análisis de costos unitarios del proyecto de tesis base, se determinan presupuestos para diciembre de 2004 y se actualizan por medio de fórmula polinómica a enero de 2019, al que se adicionan los costos de los sistemas de aislamiento utilizados.. -3-.

(20) Marco Teórico. Capítulo 2. CAPITULO 2:. MARCO TEÓRICO. 2.1. SISTEMAS DE AISLACIÓN DE BASE Constituyen un sistema de protección sísmica cuya función es aislar la estructura del movimiento del suelo producido por los sismos. Esto se logra al forzar un efecto de “piso blando”, ya que los dispositivos que conforman el sistema de aislamiento tienen muy poca rigidez lateral en comparación con la estructura que aíslan, entonces, si la solicitación de fuerzas laterales sobrepasa el límite de comportamiento elástico de los dispositivos de aislamiento, estos incursionan en el régimen inelástico disipando energía en forma de deformación. Mientras tanto, la superestructura (estructura sobre el sistema de aislamiento o estructura aislada, E.031) asemeja su comportamiento a un cuerpo “rígido”, oscilando en las frecuencias inducidas por el sistema de aislamiento. Llevando estas frecuencias a periodos, el periodo del sistema de aislamiento suele ser 3 a 4 veces el periodo elástico de la superestructura con base fija, (Villagómez Molero, 2015).. Figura 2.1. Estructura con aislamiento sísmico y con base fija Fuente: Villagómez, 2015. Capítulo I. Aquí podemos precisar lo siguiente, ya que el periodo predominante de la estructura con sistema de aislamiento sísmico será del sistema de aislamiento, y, observando el espectro respuesta de aceleraciones para la estructura, nos encontraríamos en la zona de periodos largos que tiene solicitaciones de aceleración considerablemente bajas. Al mismo tiempo, el sistema de aislamiento provee un amortiguamiento adicional a la estructura, el cual puede ser controlado en la etapa de diseño.. -4-.

(21) Marco Teórico. Capítulo 2. Figura 2.2. Efecto del sistema de aislamiento en la estructura. Fuente: Villagómez, 2015. Capítulo I. Aquí se puede observar que, si el periodo alcanzado por el sistema completo es mayor al llamado periodo TL (periodo que define el inicio de la zona del factor de amplificación dinámica con desplazamiento constante, Norma E.030, vigente), entonces el desplazamiento llegaría a ser constante como se muestra en el espectro de desplazamientos (Figura 2.2). 2.1.1.. Tipos de aisladores. Los dispositivos de aislamiento más conocidos en el Perú son los aisladores elastoméricos y deslizantes. A su vez, los utilizados en este proyecto de tesis. 2.1.1.1. Aisladores elastoméricos.. En inglés, elastomeric bearings, están constituidos de láminas de goma y acero intercaladas, unidas entre sí mediante un proceso llamado vulcanización que permite que trabajen en conjunto. De esta manera la rigidez lateral del dispositivo está dada por las láminas de caucho que pueden deformarse en su plano y la rigidez vertical está determinada por el impedimento que ejercen las láminas de acero a que las láminas de caucho se expandan lateralmente debido a alguna carga vertical. El modelamiento matemático más utilizado para este tipo de aisladores es el bilineal, se hablará más extensivamente sobre este modelo cuando se desarrolle el tema de los aisladores con núcleo de plomo. Entre los aisladores elastoméricos podemos encontrar a los aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento (LDRB), aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDRB), aisladores elastoméricos de núcleo de plomo (LRB).. -5-.

(22) Marco Teórico. Capítulo 2. Los aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento son los más sencillos de modelar, al tener poco amortiguamiento (razón de amortiguamiento crítico menor que 7%), la histéresis que desarrolla hace que su modelo matemático se asemeje uno lineal equivalente, con deformación máxima por corte menor que 200%. En cuanto a los aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento, alcanzan una razón de amortiguamiento crítico entre 10 y 20% para deformaciones por corte iguales a 100%. Sus propiedades son sensibles a los cambios de frecuencia y temperatura, pero recuperables en el tiempo, días. Las máximas deformaciones por corte oscilan el 300%. Además, se indica que el incremento en carga axial hace que su rigidez horizontal disminuya. (Mendo Rodríguez, 2015). Aisladores elastoméricos de núcleo de plomo (LRB). En inglés lead-rubber bearings, low damping rubber with lead core, lo que nos da a entender que son similares a los aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento con la excepción que llevan un núcleo de plomo en el centro (típicamente entre 15 a 33% del diámetro total del aislador, (Mendo Rodríguez, 2015)). Cuando ocurre la acción sísmica y el núcleo de plomo llega a alcanzar su fluencia, este disipa energía en forma de calor y al terminar la excitación este se cristaliza y ayudado por las láminas de caucho regresa a condiciones similares a la original. Aunque resulta costosa, las características que se obtienen por este comportamiento son: -. Razón de amortiguamiento crítico entre 25 y 30%.. -. Máxima deformación por corte entre 125 y 200%.. -. Alta rigidez inicial debido al plomo (esfuerzo de fluencia del plomo alrededor de 105 Kgf/cm2), por lo tanto, ahorro en sistemas de restricción contra viento y mejoramiento en fuerzas de restitución lateral. (Mendo, 2015). -. La rigidez, esfuerzo de fluencia y amortiguamiento que el plomo alcanza pueden reducirse con ciclos repetidos (historia de carga), aumento de temperatura.. -. Alto costo de fabricación debido a sus componentes.. En cuanto al modelo matemático utilizado para los aisladores tipo LRB, el modelo bilineal representa una buena aproximación. Para definir este modelo se requiere de la fuerza lateral correspondiente a desplazamiento nulo (Q), fuerza de -6-.

(23) Marco Teórico. Capítulo 2. fluencia (Fy) correspondiente al desplazamiento de fluencia (Dy) y la rigidez inicial (K1). Las demás propiedades mecánicas se expresarían en las ecuaciones (II. 1 a II. 3).. Figura 2.3. Modelo bilineal usado en el diseño de aisladores sísmicos Fuente: Mendo, 2015, capítulo 2.. k2  k1  (Ec. II.1.). Q Dy. keff  k2  (Ec. II.2.) (Ec. II.3.). W  2 keff D 2  eff. eff  (Ec. II.4.). Q D. W 2 keff D 2. Donde K2 representa la rigidez secante o post-fluencia, Keff representa la rigidez efectiva del sistema, βeff representa el amortiguamiento efectivo del sistema. Para realizar un modelamiento lineal elástico de la estructura aislada en un programa de modelamiento computacional, solo sería necesario ingresar la rigidez y amortiguamiento efectivos. Para un modelo no lineal tendría que ingresarse como mínimo la rigidez inicial, el esfuerzo de fluencia y el ratio rigidez post-fluencia/rigidez inicial, para cada dirección de análisis. Ya que estos aisladores tienen forma circular las propiedades serían las mismas en todas las direcciones laterales. 2.1.1.2. Aisladores deslizantes. En inglés sliding bearings, también llamados aisladores de fricción o deslizadores friccionales, consisten en dos superficies de deslizamiento que permiten el movimiento horizontal de la estructura de manera independiente del suelo cuando. -7-.

(24) Marco Teórico. Capítulo 2. el movimiento sísmico supera la fuerza de fricción estática, disipando energía a través de las fuerzas de rozamiento que se generan. Las superficies de fricción están constituidas por acero inoxidable y acero inoxidable recubierto usualmente por politetrafluoroetileno (PTFE), llamado también teflón, este material tiene bajo coeficiente de fricción que puede variar por la presión de contacto, la velocidad de movimiento, estado de superficies de contacto y el envejecimiento. Entre los tipos de aisladores deslizantes podemos encontrar a los deslizantes planos y los deslizadores con superficie cóncava. Estos últimos se subdividen en péndulos friccionales (FP) con una superficie de deslizamiento cóncavo, doble péndulo de fricción con doble curvatura cóncava (DFP) y el triple péndulo de fricción con triple curvatura cóncava (TPF), estos dispositivos tienen propiedades seleccionadas para optimizar la respuesta de la estructura a diferentes fuerzas sísmicas y frecuencias de vibración. La característica principal de estos sistemas con curvaturas cóncavas es que no necesitan sistemas de restitución lateral ya que las fuerzas de gravedad devuelven el sistema a su posición inicial; por otro lado, mientras más curvaturas hayan, mayor es el desplazamiento y las frecuencias de sismo absorbidas. Para los propósitos de este proyecto de tesis, expondremos a mayor profundidad el primer tipo de deslizador friccional mencionado, el deslizador friccional plano. Aisladores deslizantes planos. Como su nombre lo indica, consisten en dos superficies planas rozando entre sí, por lo que no poseen la propiedad de retornar a su posición inicial. Un sistema de aislamiento con este tipo de deslizadores requiere adicionalmente de otros tipos de aisladores para que pueda funcionar satisfactoriamente. Sus características son: -. Funcionamiento basado en la ley de Coulomb, en general, la relación entre la fuerza normal y la fuerza de rozamiento es el coeficiente de fricción.. -. Estos aisladores no incrementan notablemente el periodo de vibración de la estructura, solamente limitan las fuerzas de corte transferidos dentro de la estructura al depender del coeficiente de fricción.. -. Bajo costo de fabricación en comparación con un aislador elastomérico.. -. En general, pueden poseer capas de material elastomérico con el fin de facilitar el movimiento del deslizador en caso de sismos (Mendo, 2015). -8-.

(25) Marco Teórico. Capítulo 2. El modelamiento matemático de este tipo de aisladores es bilineal, después de alcanzar el límite de rozamiento estático el diagrama esfuerzo-deformación se mantiene constante.. Figura 2.4. Diagrama esfuerzo-deformación de un aislador deslizante plano Fuente: Villagómez, 2015. Capítulo I.. Aisladores elastoméricos deslizantes planos (ESB). En inglés Elastromeric Sliding Bearing. Este tipo de aislador consta de una placa base resistente a la corrosión de un material de alta durabilidad que es utilizado con placa deslizante y de un material deslizador unido con multicapas de goma y acero. Estos aisladores muestran una gran ventaja en la de soportar desde pequeñas vibraciones hasta un terremoto severo, además de que pueden trabajar en conjunto con los aisladores LRB. Cuando la magnitud del sismo es pequeña, trabajan exclusivamente las multicapas de goma y, si la magnitud del sismo es grande, el material deslizante se desliza libremente sobre la placa base.. Figura 2.5. Comportamiento de aisladores tipo ESB Fuente: http://www.oiles.co.jp/en/menshin/building/menshin/products/ssr/. El modelo bilineal de la histéresis del aislador presenta una rigidez inicial que dependen de las propiedades de la goma y, cuando el aislador comienza a ejercer una fuerza de fricción se presentará la fuerza característica.. -9-.

(26) Marco Teórico. Capítulo 2. Figura 2.6. Diagrama esfuerzo-deformación de aisladores tipo ESB. Fuente: Elaboración propia. 2.2. NORMATIVA Y CONSIDERACIONES PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL 2.2.1.. Norma E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE”. Publicada en el mes de enero de 2016, con última actualización en octubre de 2018, indica en su capítulo III, categoría y sistemas estructurales, que las edificaciones de categoría A1, establecimientos de salud de segundo y tercer nivel (MINSA) ubicadas en zonas 4 y 3 según el mapa de peligro sísmico del capítulo II, zonificación, deben tener aislamiento sísmico en la base siempre y cuando se cumplan las disposiciones del capítulo II de la norma E.030 y en la medida que sean aplicables los requisitos del ASCE/SEI 7 vigente. Las disposiciones del capítulo II se refieren a la zonificación por peligro sísmico (figura 2.7), clasificación por perfiles de suelo (tabla 2.2), parámetros de sitio tales como el factor de suelo, periodos límite de zona de periodos cortos y de periodos largos (Tp y TL) (tablas 2.3 y 2.4); factor de amplificación sísmica (C(T)) que define el espectro de aceleraciones de diseño (ecuaciones II.5 a II.7).. -10-.

(27) Marco Teórico. Capítulo 2. Figura 2.7. Mapa de zonificación de peligro sísmico, Norma E.030. Tabla 2.1.. Tabla 2.2.. Tabla 2.3.. Aceleración PGA para suelo rígido, norma E.030. Propiedades para distintos perfiles de suelo, norma E.030. Factores de amplificación del suelo por perfil de suelo, norma E.030.. -11-.

(28) Marco Teórico. Capítulo 2. Tabla 2.4.. Periodos Tp y TL para cada perfil de suelo, norma E.030.. Las ecuaciones que definen el factor de amplificación sísmica (C), que depende del periodo T son: (Ec. II.5.). Si T  TP.  C  2.5. Si TP  T  TL  C  2.5  (. TP ) T. Si T  TL. TP  TL ) T2. (Ec. II.6.).  C  2.5  (. (Ec. II.7.). 2.2.2.. Proyecto de Norma de Aislamiento Sísmico en Perú, Norma E.031. En el mes de septiembre del año 2017 se publica el proyecto de Norma de Aislamiento Sísmico E.031. y el ingeniero Carlos Casabonne R. hizo una presentación titulada “Actualidad de la Normativa Peruana” en el Primer Simposio Internacional: Actualidad y futuro de la protección sísmica en el Perú. En la presentación mencionada se habla acerca de los primeros proyectos de control sísmico en Perú, se mencionan: Casino Mubarak, disipación de energía con dispositivos de fluencia en 2003. Torre del Aeropuerto Jorge Chávez, disipación de energía fluído viscoso en 2006. Edificio de la UTEC, aislamiento sísmico en 2012. Biblioteca de la UPC, Campus de Villa, aislamiento sísmico en 2012. Biblioteca de la UNI, aislamiento sísmico en 2011-2013. Se explica que el empleo de normas de otros países no refleja de manera adecuada las características y necesidades en Perú, y ya que existe una exigencia reglamentaria para el empleo de aislamiento sísmico de base en centros hospitalarios del estado y privados de segundo y tercer nivel, según el MINSA, es que se hace necesario normar la utilización de aislamiento sísmico de base. Este reglamento utiliza como referencia directa al ASCE/SEI 7-10, ASCE/SEI 7-16 y además a la norma de Aislamiento Sísmico de Chile Nch2745-2003; estableciendo los requisitos mínimos para el diseño del sistema de aislamiento, construcción de edificios con aislamiento, las especificaciones para la compra, control de calidad, ensayos y supervisión de pruebas en los dispositivos del sistema de aislamiento.. -12-.

(29) Marco Teórico. Capítulo 2. En cuanto a restricciones de irregularidades, el proyecto de norma E.031 en su Tabla N°1, “CATEGORÍA Y REGULARIDAD DE EDIFICACIONES AISLADAS”, indica que las categorías de edificaciones A y B para las zonas 4 y 3 no permitirán irregularidades extremas, lo que indica que sí se permiten irregularidades. Algunas razones para esta disposición serían que la implementación de un sistema de aislamiento puede reducir las aceleraciones de sismo tanto que no habría deformaciones de piso considerables en la superestructura, además, la configuración adecuada de los dispositivos de aislamiento provee rigidez lateral controlada que puede ser utilizada para controlar algún problema de torsión de piso.. Tabla 2.5.. Categoría y regularidad de edificaciones aisladas, proyecto de norma E.031.. 2.2.2.1. Factores de modificación de las propiedades.. En el capítulo II, se habla acerca de las propiedades límites de los componentes de aislación. El concepto de propiedades límite ya había sido introducido en el ASCE/SEI 7-10 como la consideración de los efectos ambientales como envejecimiento, creep, fatiga, temperatura de operación y exposición a la humedad y sustancias dañinas. En el ASCE/SEI 7-16 el criterio de propiedades límite se expone por medio de factores “λ” con propuestas de valores en tablas; se presentan como: λ(ae,máx) y λ(ae,mín), factores modificatorios para determinar el máximo y mínimo valor de una propiedad del aislador, respectivamente, considerando las condiciones ambientales y de envejecimiento. λ(tvs,máx) y λ(tvs,mín), factores modificatorios para determinar el máximo y mínimo valor de una propiedad del aislador, respectivamente, considerando las condiciones de temperatura, velocidad de carga y scragging, que es la degradación temporal de las propiedades mecánicas de los aisladores elastoméricos como resultado de acciones cíclicas.. -13-.