DISIPADORES MECANICOS DE ESTRUCTURAS Y AISLACION DE BASES

El diseño sismo resistente tradicional de edificios reduce las fuerzas dinámicas inducidas por sismos severos por medio de la capacidad de disipación de energía disponible en vigas, columnas y sus conexiones. La disipación de energía se suele concentrar en los extremos de los componentes estructurales debido, entre otros motivos, a la facilidad de proporcionar detalles que incrementen su ductilidad. Un diseño sismoresistente satisfactorio debe asegurar que para un determinado nivel de demanda de ductilidad global la ductilidad seccional y de material disponible no sea superada, en especial teniendo en cuenta las incertidumbres inherentes en la definición de la acción dinámica. En los últimos quince años se ha producido un esfuerzo de investigación importante para encontrar sistemas estructurales dúctiles -tales como los muros de corte  acoplados o los pórticos excéntricos-, en los cuales sea posible localizar la disipación de energía. Más recientemente, y con el fin de mejorar estos eficientes sistemas estructurales, se han propuesto técnicas avanzadas de diseño sismoresistente que incluyen los aisladores dinámicos y los disipadores mecánicos de energía. Estos sistemas estructurales permiten localizar las demandas de ductilidad reduciendo la acción dinámica en la estructura significativa mente comparado con la acción que sería inducida a una estructura tradicional.

El aislamiento de base se puede dividir conceptualmente en dos categorías: aisladores dinámicos con neoprenes reforzados y aisladores dinámicos de fricción (Kelly 1993). Los aisladores dinámicos con neoprenes reforzados reducen las fuerzás sísmicas incrementando el período estructural a valores cercanos a 2-3 segundos. A diferencia de ellos, los aisladores dinámicos de fricción reducen la acción sísmica disipando energía en la junta deslizante del edificio y la cimentación (Bozzo et al. 1989) Los aisladores dinámicos con neoprenes reforzados han sido ampliamente investigados y probados en laboratorios y por ello actualmente son los sistemas más comúnmente empleados en la construcción. Sin embargo estos aisladores tienen algunas limitaciones, tales como el ser sensibles al contenido de frecuencias de un terremoto y su vulnerabilidad a la presencia de pulsos largos que ocurren en registros cercanos al epicentro de un sismo. En contraste con los aisladores de neoprenes, los aisladores de fricción son poco sensitivos al contenido de frecuencias de un sismo y son también más económicos. Sin embargo, en este segundo tipo de aisladores, las amplificaciones no lineales en el rango de períodos cortos también pueden incrementar significativamente los desplazamiento y en particular debido a la presencia de pulsos largos y la proximidad de una falla.

Ambos sistemas de aislamiento de base tienen claras ventajas frente al diseño evidente considerando el gran número de edificios ya construidos en el mundo que emplean estos sistemas. Para la práctica constructiva en Mendoza tienen limitaciones,  por lo que su empleo es recomendable en nuestro medio sólo para edificios muy importantes para los cuales se desee proteger no sólo la seguridad de las personas que los ocupen sino además las instalaciones y equipos disponibles en su interior.

Interacción Suelo-Estructura

Uno de los objetivos en la determinación de las propiedades de esfuerzo-deformación de los suelos es el uso de estas propiedades mecánicas, para estimar desplazamientos verticales y horizontales en la masa del suelo cuando éste se somete a un incremento de esfuerzo. En la interfase de la estructura de cimentación y el suelo se originan desplazamientos debido a las cargas que transmite la cimentación dando lugar a desplazamientos totales y diferenciales. Los desplazamientos diferenciales de la estructura deberán ser iguales a los originados en la superficie de apoyo de la cimentación. Así pues, la estructura de la cimentación junto con las cargas que obran sobre ella y las reacciones que se provocan en el suelo se sujetará a una determinada configuración, igual a la que el suelo adoptará debido a las reacciones que éste aporta a la estructura de cimentación para su equilibrio. La configuración de esfuerzos y deformaciones en la superficie de contacto dependerá de la rigidez de la estructura de la cimentación, de la deformabilidad del subsuelo y de la distribución de cargas que se apliquen sobre a estructura de la cimentación.


La interacción entre la estructura de cimentación y el suelo consistirá en encontrar un sistema de reacciones que aplicadas simultáneamente a la estructura de cimentación y a la masa del suelo produzcan la misma configuración de desplazamientos diferenciales entre los dos elementos. El procedimiento de establecer las expresiones de compatibilidad para el cálculo de los esfuerzos de contacto se designará en adelante por ISE, esto es, Interacción Suelo-Estructura. Para lograr lo anterior, será necesario basarse por un lado en las leyes físicas que rigen el comportamiento de la masa del suelo y por el otro en los procedimientos nominales de cálculo estructural en la determinación de fuerzas y deformaciones, tomando en cuenta las propiedades mecánicas del material del cual será construida la estructura de cimentación.

Es obvio que la masa del subsuelo donde se apoya la estructura de cimentación no se puede simplificar suponiéndola constituida de elementos aislados, si se quiere obtener buena precisión en los cálculo.  Será necesario tratar a la masa del suelo como un medio continuo en donde la acción en un punto i de la masa ejerce su influencia en otro punto j de ella. Así pues, para el cálculo de esfuerzos en la masa del suelo hacemos uso de la Teoría de Elastídad, o alguna de sus modificaciones; aun cuando sabemos que el suelo no es elástico sino más bien es elástico-plástico y viscoso. El cambio de esfuerzos dentro de cierto rango, en general, no es tan grande que no se pueda operar con las propiedades secantes de esfuerzo-deformación. Lo anterior trae como consecuencia el tener que estimar de antemano el nivel de esfuerzos y el cambio de éstos para asignar las propiedades mecánicas del material que deberán ser utilizadas en el cálculo. Lo cual implica, si se requiere aumentar la precisión, el tener que efectuar varios ciclos de cálculo hasta lograr la compatibilidad de las fuerzas y las deformaciones utilizando las propiedades mecánicas de esfuerzo-deformación del suelo. Desde el punto de vista de ingeniería práctica de cimentaciones, en la mayoría de los casos es suficiente estimar el nivel de esfuerzos y los cambios probables de éstos para elegir las propiedades mecánicas a usar en ISE.

La rigidez de la estructura de cimentación y la contribución que a ésta le pueda aportar la superestructura es importante. Lo cual implica tener que conocer de antemano la geometría y propiedades de los elementos que la forman. La incertidumbre que existe cuando las estructuras de cimentación se construyen de concreto armado es conocer su módulo de deformación unitaria, el cual es bien sabido aumenta con el tiempo, (Zeevaert, 1975). Así pues, podría aseverarse que la ISE de una estructura recién construida es diferente a medida que pasa el tiempo y no es sino hasta que ha transcurrido un tiempo suficiente para el cual ya no aumentan las deformaciones plasto-viscosas del concreto cuando la configuración alcanzará una posición estable. En lo que respecta al suelo y principalmente a suelos arcillosos y saturados donde se presentan propiedades dependientes del tiempo podrá decirse que los esfuerzos de contacto también varían en función del tiempo haciendo cambiar los elementos de estabilidad de la estructura de cimentación.

 Aun más, se puede decir que para la elección correcta y cálculo racional de una cimentación es también necesario considerar las condiciones y fuerzas ambientales. Así pues, es necesario conocer la estratigrafía del lugar y en particular de la zona en cuestión, las condiciones hidráulicas que rigen en el momento y los cambios probables que podrían suscitarse en el futuro. Conociendo la estratigrafía y las características de los sedimentos que la constituyen en varios lugares, se podrá conocer la variación probable de las propiedades mecánicas de los sedimentos en el área de la cimentación. El ingeniero de cimentaciones se ve en la necesidad de hacer hipótesis de trabajo simples y conservadoras que le permitan el cálculo de ISE con las herramientas de que dispone. En toda forma deberá conocer como mínimo las propiedades esfuerzo-deformación-tiempo para cada uno de los estratos que forman el subsuelo y hasta una profundidad a la cual ya no le afecten en sus cálculos de ISE. En regiones sísmicas o de vientos de alta velocidad, deberán establecerse modalidades en el diseño de las cimentaciones que permitan hacerlas menos vulnerables a estas fuerzas, especialmente cuando se trata de cimentaciones con pilas o pilotes. En el caso de sismos en donde el movimiento se transmite del suelo a la cimentación, será necesario conocer las propiedades dinámicas de los sedimentos para estimar el comportamiento del subsuelo y la forma en que el movimiento se transmite a la cimentación y los efectos de interacción que se generan. Para el caso de viento u otras fuerzas transitorias, será necesario conocer las propiedades esfuerzo-deformación para cargas aplicadas en períodos cortos y muy cortos, y para las cuales no se permite la deformación visco-plástica del material.

EFECTOS DE LAS ACCIONES DINÁMICAS DEL SISMO

La respuesta de una estructura que está sometida a un sismo, depende de las características dinámicas de la estructura y de las características del sismo. Estas últimas dependen de las propiedades dinámicas del terreno de fundación y la distancia al epicentro. Del tipo de terreno dependen las frecuencias predominantes en las ondas del sismo y la distancia es importante por que las frecuencias más altas se van atenuando a medida que la distancia al foco es mayor.

EFECTOS DE LAS ACCIONES DINÁMICAS DEL SISMO

Es evidente que la naturaleza del terreno tiene una gran importancia en los colapsos de estructuras durante los terremotos. Se ha observado en general, que en suelos firmes. Las construcciones han sufrido menos daños que las estructuras cimentadas en suelos blandos. Pero por otro lado, se han reportado casos en que construcciones situadas en terrenos blandos han sufrido menos daños que otras ubicadas en terrenos firmes. Por ello se recomienda emplear estructuras flexibles en suelos firmes y estructuras rigidas en suelo blando, a pesar de que esto ocasiona problemas de cimentación para las estructuras rigidas apoyadas en suelo blando. Un factor a considerar es que la correlación entre el daño y la duración del sismo es mayor en los suelos blandos.

CARGA QUE DEBE TRANSMITIR LA CIMENTACIÓN SISMO RESISTENTE AL TERRENO

Cuando se habla de cimentaciones se habla también de la parte más importante de una construcción y a la cual no debe ahorrarse ni materiales ni cuidados, pues a su deficiencia se deben siempre las grietas producidas al recibir una cimentación una carga superior a su capacidad resistente. Es un grave error reducir, por economía, las dimensiones, calidad y proporciones de los materiales a emplear en las fundaciones por cuanto será muy costoso pretender subsanar los defectos originados por estas deficiencias, lo cual no se logrará sin recurrir al refuerzo de los cimientos construídos defectuosamente, con el consiguiente incremento del costo original de la estructura.

La función de una cimentación ante un sismo es brindar al edificio una base rigida y capaz de trasmitir al suelo las acciones que se generan por la interacción entre los movimientos del suelo y de la estructura, sin que se produzcan fallas o deformaciones excesivas en el terreno.

De una fundación correcta depende el éxito de una estructura.  La cimentación de un edificio debe cumplir con:

                          Trasmitir al terreno las cargas estáticas.
                          Trasmitir las cargas dinámicas.
                          Dimensiones ajustadas a la capacidad de resistencia del suelo en el tiempo.
                          Que los asentamientos no superen los límites admisibles.
                          Prevenir los asentamientos por sobreconsolidación.
                          Prevenir la licuefacción del suelo en caso de sismos.

Trabajar en conjunto, limitando los desplazamientos diferenciales, horizontales y verticales, entre los apoyos.

Cuando es factible elegir el sitio donde se ubicará el edificio, es conveniente un lugar de terreno firme, libre de problemas de las amplificaciones locales del movimiento del terreno que suelen presentarse en los terrenos blandos, y de asentamientos excesivos y pérdida de capacidad de apoyo que ocurre en alguna arenas poco compactas con un sismo.