Estudios de vibración ambiental en edificaciones existentes

Autores: Ing. Adalberto Vizconde Campos, MSc (Universidad de Guayaquil)

             Est. Marcos Cortez Vélez (Universidad de Guayaquil)

1. Introducción.

El modo más común de describir los movimientos del suelo y de una edificación se realiza con un registro historia-tiempo. Los parámetros de movimiento registrados pueden ser aceleraciones, velocidades, o desplazamientos, o los tres juntos combinados (Datta, 2010).

Los acelerogramas pueden presentar perturbaciones en su registro, las cuales son provocadas por lo que se denomina ruido de fondo. Este ruido depende en gran parte de donde se ubique la estación del acelerógrafo y del tipo de instrumento usado. Las perturbaciones más frecuentes se deben a causas atmosféricas, electromecánicas y culturales.

La vibración ambiental es la señal sismica en ausencia de las señales producidas por los terremotos, y a las ondas que lo integran se las llama en inglés, “microtremors”; en castellano se usan con el mismo significado las palabras microtemblores, microvibraciones o ruido cultural.

Fundamentalmente, estas vibraciones son de muy pequeña amplitud y períodos comprendidos entre 0.10s y 10s. Estas vibraciones en los edificios se suponen en dos categorías: Aquellas que surgen de unas fuentes internas y aquellas que surgen de unas fuentes externas.

La mayoría de vibraciones generadas en dentro de un edificio (fuentes internas) son originadas por máquinas (grúas, ascensores, ventiladores, bombas, etc.) y de las actividades de las personas (caminar, saltar, bailar, correr).

Externamente o por fuentes externas, las vibraciones son generadas comúnmente por el tráfico en la carretera o de trenes, subterráneos, actividades en construcción (explosión, excavación y compactación de suelos, perforación de tuberías, etc), estruendos de sonido, vientos fuertes, y terremotos (Ref. 2).

Además, también existen vibraciones producidas por el viento que son introducidas en el subsuelo por árboles, edificaciones o su impacto en el relieve. Su fuente no está asociada a terremotos y algunos investigadores (Espinoza, 1999) consideran que esta vibración de origen natural está formada por ondas superficiales generadas en zonas de interacción océano-continente, modos fundamentales de vibración del planeta, cambios en la presión atmosférica y actividad volcánica interna, además de las fuentes artificiales mencionadas en los párrafos anteriores.

2. Objetivo.

Uno de los objetivos para los que se realizan estos estudios es contrastar los datos obtenidos en las condiciones reales, con aquellos datos teóricos determinados en el diseño con el fin de obtener de un modo más real el comportamiento dinámico de la estructura.

3. Consideraciones básicas.

Los parámetros de principal importancia en las vibraciones de las estructuras son la frecuencia natural, los modos de vibrar y el amortiguamiento.

La frecuencia natural de un edificio o de un componente son aquellas en las cuales las oscilaciones libres continuas ocurren después que la excitación ha parado. La estructura asume un modo de vibrar cuando este vibra libremente en la frecuencia natural. Cuando una frecuencia de la excitación coincide o está cercana a la frecuencia natural de la estructura puede dar como resultado unas amplitudes grandes de vibración. Esto es llamado resonancia, y en general debe ser evitada.

La capacidad de amortiguamiento es la habilidad de absorber energía de vibración. Esta capacidad es inherente en todos los materiales en diversos grados. Así, los componentes o edificios que tienen una baja capacidad de amortiguamiento tienden a vibrar más que aquellos con alta capacidad. La energía es disipada en los materiales, nudos y conexiones.

4. Periodo medido con vibración ambiental y con sismos.

Para el desarrollo de este artículo, se tomó información del estudio de vibración ambiental realizado en Perú al edificio de la Clínica San Miguel en la ciudad de Piura el cual está compuesto por cuatro bloques o edificios claramente diferentes e independientes. (Ref. 3).

La Clínica San Miguel se ubica en el Jr. Los Cocos # 131 de la urbanización Club Grau, en plena Av. Miguel Grau, frente al Parque Miguel Cortés. Como se observa en la Figura 1, del plano de ubicación la Clínica San Miguel, desde el punto de vista de configuración estructural.

Figura 1: Esquema de ubicación del edificio de la Clínica San Miguel en la ciudad de Piura, entre esquina del Jr. Los Cocos y la Av. Grau.

 

Figura 1.1: Una de las causas de la vibración ambiental en la Clínica San Miguel, es inducida por el tráfico de autos, camiones, buses y combis.

Edificio 1: Al que se ha denominado Edificio Consultorios A, esta estructura está compuesta básicamente por pórticos de concreto (columnas y vigas), las placas del ascensor, tabiques de albañilería, etc. El sistema de cimentación es de zapatas aisladas y zapatas unidas con cimientos corridos y algunas vigas de cimentación. Véase figura 1.2.

Figura 1.2: Vista exterior del edificio Consultorios A en la Clínica San Miguel.

Edificio 2: Al que se ha denominado Edificio Consultorios B, esta estructura también está compuesta básicamente por pórticos de concreto (columnas y vigas), las placas del ascensor, tabiques de albañilería, etc. El sistema de cimentación es de zapatas aisladas y zapatas unidas con cimientos corridos y algunas vigas de cimentación.

Edificio 3: Al que se ha denominado Edificio Clínica, esta estructura está compuesta básicamente por albañilería confinada algunos pórticos de concreto (columnas y vigas) y las placas del ascensor, formando así un sistema dual. Posee muros portantes de albañilería. El sistema de cimentación es de cimientos corridos y vigas de cimentación.

Edificio 4: Al que se ha denominado Edificio Farmacia-Administración, esta estructura está compuesta básicamente por albañilería confinada, construida en los que fue una antigua casa ubicada en la Av. Grau, luego fue remodelada y acondicionada para integrar el conjunto de la Clínica San Miguel.

Edificio 5: Al que se ha denominado Edificio Tomografía-Contabilidad, esta estructura está compuesta básicamente por pórticos de concreto (columnas y vigas), los tabiques de albañilería, etc. El sistema de cimentación es de zapatas aisladas y algunos cimientos corridos. Edificio construido al costado de la antigua casa remodelada para ser Farmacia y administración, y sobre lo que era un jardín y cochera.

 

Durante un sismo el periodo fundamental de un edificio puede ser mucho mayor que el obtenido usando vibración ambiental, así muchos investigadores como Muriá-Vila (Espinoza,1999) estudiaron en un edificio de concreto armado de tres niveles que los valores de frecuencia natural obtenidos de las pruebas de vibración ambiental difieren alrededor del 30% del valor medio de aquellos obtenidos por registros sísmicos.

Çelebi y Safak (Ref. 1) también encontraron algunas diferencias significativas en el periodo fundamental de un edificio de 30 pisos ubicado en San Francisco, California, al comparar los periodos fundamentales obtenidos con el sismo de Loma Prieta (2.63 segundos) y pruebas de vibración ambiental y forzada (1.7 segundos). La diferencia de 55% se debió a 3 factores que son determinantes en el movimiento de la estructura durante un sismo:

  • Interacción suelo estructura.
  • Comportamiento no lineal del suelo, de las pilas de cimentación y de la cimentación sobre las pilas.
  • Microfracturamiento del concreto.

Otro investigador en el tema como Midorikawa recopiló información de 128 edificios de 2 a 30 pisos en 2 ciudades de Chile, la mayoría de concreto armado y el resto de albañilería, dando como resultado que el periodo durante un terremoto es en promedio de 20% mayor cuando la aceleración pico es de 60 a 200 cm/s2. Todo esto nos lleva a concluir que la respuesta dinámica de la estructura es muy sensible a la amplitud del movimiento del sismo.

5. Instrumento

Como ya se mencionó, la vibración ambiental se sitúa en frecuencias que van entre 0.1 a 10 Hz. y es la fuente de excitación utilizada en este trabajo para determinar el periodo fundamental de vibración del edificio.

Se trabajó con el equipo Minimate que se halla en la figura 2, este es un sismógrafo completo de fácil manejo y pesa aproximadamente 1.5 Kg. Posee en su parte superior 7 botones que forman el LCD. Este equipo registra eventos que se bajan fácilmente a la computadora vía una interfase estándar RS-232 usando además del software Instantel’s Blastware Event Management. El Blastware también provee las herramientas necesarias para manejar los archivos de los eventos registrados, con la capacidad de imprimir los reportes y los análisis de frecuencia FFT.

Para instalar los acelerómetros se deben utilizar áreas lo más retiradas posibles de equipos mecánicos o de personas ya que cualquier movimiento de los sismógrafos con respecto al edificio altera tanto el contenido energético como el espectro de frecuencias de la señal, y por lo tanto puede distorsionar los resultados.

Figura 2: Equipo sismógrafo Minimate utilizado para medir la respuesta dinámica del edificio frente a excitaciones del medio ambiente.

6. Localización del sismógrafo.

El equipo se colocó en el jardín, en la azotea, sobre el tanque elevado de agua y sobre el primer, segundo y tercer piso del edificio Consultorios A.

7. Método Propuesto.

Con el equipo Minimate, se obtienen datos de aceleración longitudinal, transversal y vertical de la estructura, tanto en la azotea como en el interior de cada uno de los pisos, luego se calcula el espectro de Fourier y se obtiene el periodo fundamental en las dos direcciones principales. En el espectro de Fourier de la aceleración medida se suele identificar el periodo fundamental del edificio, como el de máxima amplitud de menor frecuencia que se halla dentro del intervalo de frecuencias posibles del edificio.

Tabla 1. Valores de ensayos realizados con vibración ambiental en el edificio consultorios A.

 

En las figuras 3, 4, 5 y 6 se puede observar algunos espectros observados durante el presente estudio.

Figura     3:     Espectro de Fourier de aceleración medida en ensayo E1, en la dirección transversal al sismógrafo. La frecuencia = 5.31 Hz.

 

Figura      4:      Espectro de Fourier de aceleración medida en ensayo E1, en la dirección longitudinal al sismógrafo. La frecuencia = 5.4375 Hz.

 

Figura 5: Espectro de Fourier de aceleración medida en ensayo E4, en la dirección transversal al sismógrafo. La frecuencia = 4.06 Hz.

 

Figura 6: Espectro de Fourier de aceleración medida en ensayo E5, en la dirección longitudinal al sismógrafo. La frecuencia = 5.93 Hz.

 

8. Período calculado con fórmulas empíricas.

Esos valores obtenidos son probables, si tenemos en cuenta la configuración estructural del edificio: Pórticos, tabiques de relleno, 3 pisos más el 4to. Con solo muros de la fachada, etc. Si lo comparamos con fórmulas empíricas de periodos como las desarrolladas por Midorikawa (Ref. 1) tras muchos estudios de vibración ambiental en edificios de Santiago de Chile, Viña del Mar, Ciudad de México y Japón, de donde obtuvo lo siguiente:

Tabla 2. Fórmulas empíricas de períodos fundamentales obtenidos utilizando vibración ambiental.

N = Número de niveles.

Por lo tanto en el edificio Consultorios A, que es un edificio se tendrá:

  • Utilizando T =0.05N

T= 0.15 seg (Considerando 3 niveles)

T = 0.20 seg (Considerando 4 niveles, debido al 4to. piso inconcluso, existencia de casa de máquinas del ascensor y tanque elevado de agua).

  • Utilizando T= 0.06N

T= 0.18 seg. (Considerando 3 niveles)

T = 0.24 seg. (Considerando 4 niveles, debido al 4to. piso inconcluso, existencia de casa de máquinas del ascensor y tanque elevado de agua).

Estos resultados me dan una aproximación de por dónde va el período fundamental del edificio usando vibración ambiental.

 

9. Modelo analítico y aplicación.

Figura 7(a).

 

Figura 7(b).

Figuras  7(a) y 7(b): Modelo  numérico  en  SAP  2000  v.8  del  edificio Consultorios A, utilizado para determinar el periodo fundamental.

Tenemos resultados de diversos centros de investigación estos nos muestran que los modelos numéricos no se alejan demasiado de los datos tomados con vibración ambiental. Asimismo, se realizaron las pruebas en el edificio de la Clínica San Miguel (CSM) utilizando el sismógrafo Minimate descrito anteriormente. Además se modeló dicho edificio en SAP2000 v.8, a los tabiques con elementos tipo shell, y se obtuvo los siguientes resultados:

Tx = 0.216 s.

Ty = 0.232 s.

Si comparamos los resultados obtenidos por los tres procedimientos, esto es, por vibración ambiental, por el modelo analítico de SAP 2000 y por fórmulas empíricas veremos en la siguiente tabla lo siguiente:

Tabla 3. Comparación de períodos obtenidos de distintos modos.

Algunas conclusiones de este ensayo que saltan a la vista pueden considerarse:

  • Los elementos no estructurales intervienen en el comportamiento dinámico de la estructura ya que le proporcionan rigidez a la estructura haciendo que el periodo disminuya. 
  • Se puede corroborar los datos de periodo utilizados en diseño con los datos de periodo obtenidos con vibración ambiental y tener una idea del comportamiento real de la estructura. 
  • Para la lectura de datos de frecuencias dentro de los espectros que da el software es necesario tener mucho cuidado para elegir el pico más alto en la menor frecuencia debido a la existencia de valores de frecuencia adulterados que están fuera del rango de frecuencias del Minimate (2-250 Hz) y por tanto son valores que no deben ser considerados, además de la presencia de las frecuencias del suelo.

10. Periodo de suelos observados en las mediciones de edificios.

Cuando se intenta correlacionar los periodos predominantes de los suelos con los fundamentales de los edificios, se observa que en algunos espectros el período fundamental del suelo también aparece junto con las frecuencias del edificio (Espinoza, 1999). Estos periodos detectados corresponden a los suelos más cercanos al edificio. Se obtuvo un periodo fundamental del suelo promedio de 0.51 s. (Ver Tabla. D-5).

Tabla D-5. Períodos de suelos detectados con el ensayo de vibración ambiental en el edificio.

11. Conclusiones

  • Con el estudio de vibración ambiental se obtuvieron valores de periodos fundamentales en 2 direcciones del edificio Consultorios A que sirvieron para comparar con los periodos obtenidos en un modelo numérico por computadora (SAP 2000). El modelo numérico da un periodo fundamental con un valor cercano al periodo obtenido con vibración ambiental, siendo en la dirección X-X un 16.7% de diferencia y en la dirección Y-Y, un 8.4%. Esta diferencia coincide con el rango de diferencias obtenidas por Muriá-Vila y González (Espinoza, 1999) al estudiar la vibración ambiental de 60 edificios en la Ciudad de México y modelar 13 de ellos. Sus diferencias fueron inferiores al 17%.
  • El ruido sísmico es importante debido a que forma parte del registro de sismicidad y trae consigo información tanto de la fuente que lo genera así como del medio por el que se transporta. La medición en edificios construidos para contrastar los datos obtenidos con los valores teóricos utilizados en el diseño, responde a la necesidad de llevar una verificación de la respuesta dinámica de una estructura. Con esto se puede determinar si han habido modificaciones importantes entre el diseño (correcta modelación) y la construcción. Además los resultados obtenidos permiten tener un punto de comparación para mediciones futuras.

12. Bibliografía Y Referencias

1. Barreras, E. (1999). Determinación de características dinámicas de estructuras. (Universidad Politécnica de Cataluña, Tesis doctoral, Barcelona). Recuperado de http://www.tdx.cbuc.es/TESIS_UPC/AVAILABLE/TDX-0731102-151724

 

2. RAINER, J. (2000). Vibrations in Buildings. National Research Council Canada – Institute for Research in Construction. CBD-232. Canadá.

 

3. Vizconde, A. (2004). Evaluación de la vulnerabilidad sísmica de un edificio existente: Clínica San Miguel, Piura. (Tesis Repositorio institucional PIRHUA – Universidad de Piura).

 

4. Lee, W. ( 2002). International Handbook of Earthquake Engineering Seismology. Capítuto III, Parte A.

 

5. Datta, K. (2010). Seismic Analysis of Structures. Hoboken, New Jersey: Editorial Jhon Wiley & Sons.