Top Banner

of 24

Técnicas Avanzadas de Diseño Sismo resistente

Jul 20, 2015

Download

Documents

carles20
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript

Tcnicas Avanzadas de Diseo Sismo resistentePublicado por Fernando Arancibia Carvallo Etiquetas: Diseo Sismo Resistente

El enfoque tradicional de diseo sismorresistente de los edificios depende de proporcionar el edificio con una capacidad de deformacin de resistencia, rigidez y elasticidad que son lo suficientemente grandes para soportar un determinado nivel de la fuerza generada por el terremoto. Esto se logra generalmente a travs de la seleccin de una configuracin estructural adecuada y el cuidado detalle de los elementos estructurales, tales como vigas y columnas, y las conexiones entre ellos.

(Fig. 1) Por el contrario, podemos decir que el enfoque bsico que subyace tcnicas ms avanzadas para la resistencia a los terremotos no es para reforzar el edificio, pero para reducir las fuerzas generadas por el terremoto que actan sobre ella. Entre las tcnicas avanzadas ms importantes del diseo y la construccin resistentes a los terremotos son el aislamiento de base y los dispositivos de disipacin de energa.Aislamiento de la Base

Es ms fcil de ver este principio en el trabajo, al referirse directamente a la ms utilizada de estas tcnicas avanzadas, lo que se conoce como aislamiento de base. Una estructura de base aislada con el apoyo de una serie de cojines que llevan los que se colocan entre el edificio y los cimientos del edificio. (Ver Figura 1) Una variedad de tipos diferentes de pastillas de base de rodamiento de aislamiento han sido desarrollados. Para nuestro ejemplo, vamos a discutir los cojinetes de plomo de goma. Estos son algunos de los tipos de uso frecuente de los rodamientos de aislamiento de base. (Ver Figura 2) Un cojinete de plomo de goma est hecho de capas de caucho intercaladas con capas de acero. En medio de la presin es un slido liderazgo "enchufe". En la parte superior e inferior, el cojinete est equipado con placas de acero que se utilizan para fijar el rumbo en relacin con el edificio y los cimientos. El rodamiento es muy rgido y fuerte en la direccin vertical, pero flexible en la direccin horizontal.Terremoto de creacin Fuerzas

(Fig. 2) Para tener una idea bsica de cmo funciona el aislamiento de base, en primer lugar examinar la Figura 3. Esto muestra un terremoto en calidad, tanto a la construccin de bases aisladas y una base convencional, fijo, la construccin. Como resultado de un terremoto, el suelo debajo de cada edificio comienza a moverse. En la Figura 3 se muestra en movimiento a la izquierda. Cada edificio responde con el movimiento que tiende hacia la derecha. Decimos que el edificio sufre desplazamiento hacia la derecha.desplazamiento del edificio en la direccin opuesta al movimiento del suelo es en realidad debido a la inercia. Las fuerzas de inercia que acta sobre un edificio son los ms importantes de todos los generados durante un terremoto. Es importante saber que las fuerzas de inercia que sufre el edificio son proporcionales a la aceleracin del edificio durante el movimiento de tierra. Tambin es importante darse cuenta de que los edificios en realidad no cambio en una sola direccin. Debido a la naturaleza compleja de un movimiento telrico, el edificio en realidad tiende a vibrar de un lado a otro en diferentes direcciones. As, la Figura 3 es en realidad una especie de "instantnea" de la construccin en un solo punto en particular de su respuesta al terremoto.

(Fig. 3)

Adems de desplazar hacia la derecha, el edificio de la ONU-aislados tambin se demuestra que est cambiando su forma a partir de un rectngulo a un paralelogramo. Decimos que el edificio est deformando. La principal causa de daos por terremotos en los edificios es la deformacin que sufre el edificio como consecuencia de las fuerzas de inercia que actan sobre ella. Los diferentes tipos de daos que pueden sufrir los edificios son muy variados y dependen de un gran nmero de factores complicados. Pero por poner un ejemplo sencillo, es fcil imaginar lo que ocurre con dos piezas de madera unidas en un ngulo recto por algunos clavos, cuando el edificio muy pesados que contienen ellos de repente empieza a moverse muy rpidamente - los clavos y no tire de la conexin .Respuesta de Base Aislada Construccin

Por el contrario, a pesar de que tambin est desplazando, la construccin de edificios aislados conserva su forma original, rectangular. Se trata de los cojinetes de plomo de caucho apoyo de la construccin que se deforman. La construccin de edificios aislados se escapa a la deformacin y el dao-lo que implica que las fuerzas de inercia que acta sobre la construccin de edificios aislados se han reducido. Experimentos y observaciones de los edificios aislados de base en los terremotos se han demostrado para reducir las aceleraciones edificio para tan poco como 1 / 4 de la aceleracin de los edificios comparables de base fija, que cada uno experimenta la construccin en porcentaje de la gravedad.Como hemos observado aumento de ms arriba, las fuerzas de inercia, y reducir, proporcionalmente a medida que aumenta o disminuye la aceleracin. La aceleracin se reduce debido a que el sistema de aislamiento de base alarga perodo de un edificio de la vibracin, el tiempo necesario para que el edificio se mueva hacia adelante y hacia atrs y luego de vuelta otra vez. Y, en general, las estructuras con perodos ms largos de vibracin tienden a reducir la aceleracin, mientras que aquellos con perodos ms cortos tienden a aumentar o amplificar la aceleracin. Por ltimo, ya que son muy elsticas, los cojinetes de goma de aislamiento no sufri ningn dao. Pero qu pasa con que se conectan de plomo en el medio de nuestra rodamiento ejemplo? Se experimenta la misma deformacin como el caucho. Sin embargo, tambin genera calor como lo hace. En otras palabras, el tapn de plomo reduce, o se disipa, la energa del movimiento, es decir, la energa cintica mediante la conversin de esa energa en calor. Y al reducir la energa que entra en el edificio, ayuda a disminuir y eventualmente detener las vibraciones del edificio antes de lo que sera el caso, en otras palabras, que amortigua las vibraciones del edificio. (Amortiguacin es la propiedad fundamental de todos los cuerpos vibrantes, que tiende a absorber la energa del cuerpo del movimiento, y por lo tanto reducir la amplitud de las vibraciones hasta que el movimiento del cuerpo con el tiempo se detiene.)Esfrica Correderas aislamiento

Como dijimos anteriormente, los cojinetes de goma de plomo son slo uno de un nmero de diferentes tipos de rodamientos de aislamiento de base que han sido desarrollados. Esfrica Correderas de aislamiento son otro tipo de aislamiento de base. El edificio se apoya en los cojines del cojinete que tiene una superficie curva y baja friccin.

(Fig. 4) Durante un terremoto, el edificio est libre para deslizarse en los cojinetes. Dado que los rodamientos tienen una superficie curva, el edificio de diapositivas tanto horizontal como verticalmente (vase la Figura 4.) La fuerza necesaria para mover el edificio hacia arriba, los lmites de las fuerzas horizontales o laterales, que de lo contrario podra causar deformaciones del edificio. Adems, mediante el ajuste de la radio de la superficie curva del rodamiento, esta propiedad se puede utilizar para disear los rodamientos que tambin alargar el perodo de construccin de las vibraciones. Para obtener ms informacin, lea este artculo titulado Sistemas de Proteccin de los Edificios: Aplicacin del esfrico deslizante sistemas de aislamiento , ya que describe un tipo particular de sistema de aislamiento deslizamiento esfricas, y su uso exitoso en la toma de algunas estructuras ms resistentes a los terremotos.Los dispositivos de disipacin de energa

La segunda de las principales tcnicas nuevas para mejorar la resistencia ssmica de los edificios tambin se basa en la disipacin de la amortiguacin y la energa, sino que ampla en gran medida la disipacin de la amortiguacin y la energa proporcionada por los cojinetes de plomo de goma. Como hemos dicho, una cierta cantidad de energa de vibracin se transfiere al edificio por el movimiento telrico. Los edificios se poseen una capacidad inherente para disipar, o hmeda, esta energa. Sin embargo, la capacidad de los edificios para disipar la energa antes de comenzar a sufrir deformaciones y el dao es bastante limitada. El edificio se disipar la energa ya sea sometidos a movimientos a gran escala o el mantenimiento de aumento de las tensiones internas en elementos como las columnas del edificio y las vigas. Ambos eventualmente dar lugar a diferentes grados de daos. As que, al dotar a un edificio con dispositivos adicionales que tienen una capacidad de amortiguacin de alta, que puede disminuir la energa ssmica de entrar al edificio, y por lo tanto disminuir el dao edificio. En consecuencia, una amplia gama de dispositivos de disipacin de energa se han desarrollado y estn siendo instalados en edificios reales. dispositivos de disipacin de energa tambin son a menudo llamados dispositivos de amortiguacin. El gran nmero de dispositivos de amortiguacin que se han desarrollado se pueden agrupar en tres grandes categoras: Amortiguadores de friccin utilizar estas fuerzas de friccin para disipar la energa Amortiguadores metlicos-utilizan la deformacin de los elementos de metal dentro de la compuerta

Amortiguadores viscoelsticos-utilizar el corte controlado de slidos

Amortiguadores viscosos-utiliz el desplazamiento forzado (orificing) de los fluidos dentro de la compuertaLquido viscoso Amortiguadores

Una vez ms, para tratar de ilustrar algunos de los principios generales de los dispositivos de amortiguacin, veremos ms de cerca a un tipo particular de dispositivo de amortiguacin, el lquido viscoso del amortiguador, que es una variedad de amortiguador viscoso que ha sido ampliamente utilizado y probado ha ser muy eficaz en una amplia gama de aplicaciones. El artculo, titulado Aplicacin de los amortiguadores de fluidos viscosos de Diseo Sismorresistente , describe las caractersticas bsicas de los amortiguadores de fluidos viscosos, el proceso de desarrollo y prueba de ellos, y la instalacin de los amortiguadores de fluidos viscosos en un edificio real para hacerlo ms resistentes a los terremotos.Amortiguacin de los dispositivos y sistemas de arriostramiento

(Fig. 5) dispositivos de amortiguacin se instalan normalmente como parte de los sistemas de refuerzo. Figura 5 se muestra un tipo de amortiguador-brace acuerdo, con un extremo unido a una columna y un extremo unido a una viga de piso. En primer lugar, este acuerdo prev la columna con el apoyo adicional. La mayora de movimiento de tierra terremoto es en una direccin horizontal, de modo que, es un edificio de columnas que normalmente se someten los ms de desplazamiento en relacin con el movimiento de la tierra. Figura 5 tambin muestra el dispositivo de amortiguacin instalado como parte del sistema de arriostramiento y da una idea de su accin.

RESUMEN Debido al desarrollo de Bogot (ciudad principal de Colombia) y a su incremento de poblacin, se han construido en la ltima dcada sistemas de transporte. A pesar de que estos sistemas incrementan el bienestar de los ciudadanos, el trfico vehicular podra generar problemas de vibraciones. Estas vibraciones afectaran negativamente a las personas y a las edificaciones cercanas. Estos efectos pueden ser importantes si se presentan altos niveles de amplitud de las vibraciones. Estas vibraciones, dependen, entre otros aspectos, de las caractersticas mecnicas de los suelos. Teniendo en cuenta los planes futuros de construccin de sistemas transporte en Bogot, se registraron vibraciones de trfico vehicular y ferroviario en 6 sitios de Bogot. En estos lugares se identificaron suelos tpicos del estudio de microzonificacin ssmica. Se hicieron mediciones para registrar las vibraciones debidas al tren de la sabana, Transmilenio (buses articulados) y servicio pblico principalmente. Se determinaron curvas de atenuacin en aceleracin y velocidad. Se determin que para las condiciones actuales las vibraciones pueden llegar a ser molestas para las personas pero no generan problemas a las estructuras. No obstante, estos valores deben tomarse como punto de referencia de mediciones futuras cuando se incremente el trfico, el peso de los vehculos (metro) y las velocidades de circulacin. Palabras Clave: Vibraciones, trfico, suelos blandos, acelermetros

1. Justificacin y AntecedentesDebido al desarrollo creciente de Bogot y en particular en su incremento de poblacin, se han construido en forma paralela diversos sistemas de transporte que buscan suplir las necesidades de sus habitantes. De acuerdo con las polticas del gobierno (Alcalda de Bogot, Gobernacin de Cundinamarca y Presidencia de la Repblica) y siguiendo los lineamentos del Plan de Ordenamiento Territorial de Bogot D.C., se defini el Sistema de Movilidad y dentro de este el Subsistema de Transporte, que se estructura en torno a los siguientes modos de transporte masivo: tren de cercanas, metro y sistema Transmilenio. Todo lo anterior dentro del marco institucional regulado y controlado por la autoridad de trnsito. Este plan implicara un incremento en los vehculos pesados que pretende incorporar el gobierno para la movilidad de la poblacin rural y urbana. Estos nuevos vehculos (buses y sistema metro) podran generar un impacto negativo a nivel de las vibraciones y podran llegar a afectar tanto a las edificaciones cercanas como a las personas. El problema podra agravarse si se consideran las caractersticas de los suelos blandos de Bogot. A pesar de la problemtica, no abundan en la literatura tcnica y cientfica estudios detallados de la respuesta del suelo de Bogot a nivel de vibraciones. Sobre todo no se cuenta con datos de la caracterizacin de la fuente y de la respuesta en superficie del suelo aunque s se tiene informacin sobre las caractersticas mecnicas de los suelos transmisores de las ondas. Este vaco en el conocimiento es el que pretende llenar el estudio ac presentado.

Por otro lado, en los registros de vibraciones debe tenerse en cuenta la amplitud mxima de la seal (aceleracin, velocidad o desplazamiento), la duracin significativa de la seal y la frecuencia dominante de la misma. As mismo debe tenerse en cuenta las caractersticas mecnicas del medio transmisor, las ondas internas y las ondas superficiales. Por ello a manera de introduccin, a continuacin se presentarn brevemente algunos estudios de vibraciones debidos a trfico vehicular as como una pequea descripcin de las caractersticas de los suelos blandos de la capital de Colombia. Vibraciones debidas a trfico vehicular Las vibraciones causadas por el trfico vehicular pueden generar daos en las edificaciones cercanas y problemas o molestias a las personas. Estos efectos pueden ser importantes en funcin del nivel de amplitud de las vibraciones, la cual depende, entre otros aspectos, de las caractersticas de los suelos. Estas consecuencias inducidas por el trfico vehicular pesado y frreo se pueden enmarcar principalmente en dos aspectos: Daos a construcciones o estructuras pequeas, edificios rgidos y de poca altura, cimentados sobre suelos blandos y cercanos a vas de trfico pesado. Incomodidad a las personas: teniendo en cuenta que el hombre slo tiene la posibilidad de asimilar una parte de las vibraciones en su sentido auditivo, sensorial y visual; destacando que este sentido sensorial est asociado a un evento de peligro. En los pocos estudios realizados en la ciudad de Bogot (Sarria, 2006) se encontr que las estructuras cimentadas sobre suelos blandos pueden tener una afectacin negativa originada en vibraciones producidas por trfico pesado para distancias menores a 100 metros. De acuerdo con (Sarria, 2004), el trnsito de vehculos genera ondas superficiales que se propagan hasta distancias relativamente cortas y en ocasiones sacuden las construcciones aledaas a la va. El impacto producido por los vehculos depende de su peso y de la velocidad con que se desplazan. La carga de impacto genera ondas superficiales de diferente frecuencia. As mismo, la condicin local conformada por el pavimento y el suelo confieren particularidades al impacto. Si el impacto ocurre en un pavimento sobre un suelo blando, hay tendencia a la presencia de ondas R de relativamente baja frecuencia mientras que si es un suelo firme la dominancia podra corresponder a ondas con frecuencias ms elevada. En el primer caso la penetracin es ms profunda lo cual incide sobre las potenciales medidas para la reduccin de los sacudimientos que el trnsito de vehculos produce sobre las edificaciones cercanas. Por otro lado (Francois, 2007) model el paso de un vehculo de dos ejes, cercano a una estructura o vivienda unifamiliar de dos pisos. De acuerdo con este estudio dos situaciones podran ocurrir: para un edificio cimentado sobre suelo blando (en el cual no ocurre deformacin en la estructura) la respuesta estructural global es dominada por cinemtica de cuerpo rgido mientras que si el suelo es rgido con respecto a la estructura, las paredes se deforman de una manera cuasiesttica, siguiendo el movimiento del suelo.

Otro estudio realizado en Estados Unidos (Haoa, 2001), debido al incremento en la construccin de viviendas y edificios cada vez ms altos y construidos a distancias menores con respecto a las vas como fuente de vibracin, gener la necesidad de investigar sobre vibraciones producidas por trfico vehicular. En este estudio se midieron vibraciones producidas por el trfico, en cuatro sitios, identificando las caractersticas del suelo, condiciones del sitio y distancia al centro de la va. Se analizaron cinco estructuras en concreto reforzado y los resultados obtenidos fueron comparados con varias especificaciones de los niveles permisibles de la vibracin. El estudio presenta tres preocupaciones importantes frente a las vibraciones producidas por el trfico sobre edificios aledaos, que son: a. Las estructuras pueden sufrir afectacin estructural. b. Afectacin a los habitantes de dichas construcciones. c. Afectacin sobre la operacin normal de equipos sensibles a vibraciones. En un escenario similar al descrito en la referencia anterior, (Watts a, 2000) plantearon la medicin de vibraciones para determinar la incidencia de diferentes tipos de vehculos teniendo en cuenta el sistema de suspensin y eje de las ruedas, frente a las edificaciones aledaas a la va bajo estudio. En esta investigacin se controlaron principalmente dos variables: el tipo de vehculo y velocidad de los vehculos. En la Figura 1 se indican algunos de los valores de velocidades pico de la partcula y la variacin frente a la velocidad del vehculo para diferentes tipos de suelo.

Figura 1. Velocidad PPV (ordenadas) contra Velocidad del vehculo articulado km/h (abscisas). (G.R. Watts a, 2000)

Dentro de las conclusiones relevantes se tiene que la velocidad influye en el incremento de las vibraciones generadas y que s se podran llegar a presentar daos en las estructuras aledaas, por lo anterior es importante determinar las distancias y pesos admisibles para evitar daos en futuras construcciones.

Definicin de lmites para evitar daos De forma general los criterios que definen umbrales de vibracin que pueden causar dao estructural, no solo dependen de la vibracin, tambin estn sujetos a la carga estructural, caractersticas de los materiales, a las caractersticas dinmicas, a la amplitud de excitacin y a la frecuencia sensible. Autoridades de estandarizacin en el mundo entero, han definido directrices sobre niveles permisibles de la vibracin en suelos con afectacin a edificios (Normas ISO 2631, ISO 6897 y DIN 4150). En las normas y literatura disponible, se ha trabajado tradicionalmente con los criterios de aceleracin y velocidad de partculas en la definicin de los valores lmites para evitar daos en sistemas estructurales. Muchos cdigos e investigadores dan lmites permisibles de la vibracin estructural en trminos de velocidad pico de la partcula (Vpp). El concepto de dao es relativo dado que puede involucrar desde la generacin de micro fisuras hasta la aparicin de grietas que puedan inducir algn tipo de colapso. Adicionalmente la aparicin o no de daos, grietas y fisuras est ntimamente relacionada con la calidad de los materiales y de las tcnicas constructivas. Aunque en Colombia existe un cdigo de construcciones puede ser difcil estandarizar las caractersticas de los materiales y de los procesos constructivos sobre todo cuando se habla de viviendas de tipo informal. Por esta razn un estudio especfico de daos en una edificacin particular requerira de evaluaciones detalladas que van desde la caracterizacin del suelo y los materiales usados en la construccin hasta la evaluacin de las cargas actuantes (vibraciones debidas a trfico, voladuras, cargas muertas, vivas, viento, etc). No obstante, las normas internacionales han establecido unos valores de velocidad lmite de las partculas del suelo (asociadas con vibraciones) por encima de los cuales es probable que se generen daos visibles en los elementos de una edificacin. Sin embargo hay que recordar que estos valores son indicativos. Teniendo en cuenta lo anterior, la norma DIN 4150, establece los valores mximos de velocidad de vibracin (en mm/s) en funcin de la frecuencia, para que no se observan daos en diferentes tipos de edificaciones (comercial, viviendas, edificios, industrias). Estos valores se presentan en la Tabla 1. Lo propio se presenta en la referencia (ITME, 1985) cuyos valores lmites se resumen en la Tabla 2. Tabla 1. Valores Mximos de Velocidad de partcula (mm/s) para evitar daos (Norma DIN 4150)

Tabla 2. Valores Mximos de Velocidad de partcula establecidos en la referencia (ITME,1985)

Por su parte los estndares australianos (AS 2187.2) establecen como lmite para edificaciones residenciales una velocidad mxima de 10 mm/s. En el mismo estndar se establece para edificios comerciales e industriales de concreto reforzado o de acero un lmite mximo de 25 mm/s y para hospitales, presas, edificios histricos se establece un lmite de 5 mm/s. De la misma manera en los estndares Ingleses (BS 7385) se establece una velocidad mxima de 50 mm/s para estructuras aporticadas de industrias y edificios comerciales con frecuencia de vibracin superior a 4 Hz. En la misma norma se sugiere un lmite entre 15 y 20 mm/s para edificaciones sin refuerzo, residenciales y con frecuencias entre 4 Hz y 15 Hz. Por ejemplo, la asociacin suiza de la estandarizacin, (SN 640) especific 12 mm/s como nivel permisible para el acero o estructuras en concreto reforzado, 5 mm/s para los edificios en mampostera, y 3 mm/s para los edificios de inters arquitectnico o estructuras sensibles. Es importante anotar que las condiciones socioeconmicas y las normativas de cada pas estn directamente asociadas con los lmites establecidos anteriormente, ya que una edificacin de vivienda tipo residencial construida en Australia, Estados Unidos o en Europa tendr en general un comportamiento mecnico diferente al de una construida en un pas en vas de desarrollo. Lo anterior se valida si se tiene en cuenta que en los estratos bajos de los pases del tercer mundo es muy comn que se edifiquen las viviendas mediante la modalidad de autoconstruccin o una construccin desarrollada sin asesora tcnica de un ingeniero y en el mejor de los casos elaborada por un maestro de obra. Este aspecto las podra hacer mucho ms frgiles. Caractersticas de los suelos de Bogot De acuerdo con (Rodrguez, 2005) y (Rodrguez y Velandia, 2008) la sabana de Bogot corresponde a una gran cuenca sedimentara de origen fluvial y lacustre que fue llenada por depsitos de suelos a lo largo del ltimo milln de aos. Los depsitos presentan una transicin desde los bordes donde se encuentran suelos aluviales y coluviales predominantemente granulares formando abanicos y conos, hacia la parte central del antiguo lago donde predominan arcillas y limos arcillosos muy blandos. El espesor mximo de los depsitos alcanza cerca de 500 m. Los suelos ms blandos de origen lacustre, en los que se tienen limos y arcillas, con horizontes muy orgnicos y con aporte de cenizas volcnicas, presentan diferencias con lo esperado a partir de ensayos realizados en otros suelos. Estos suelos blandos presentan una estructura y

composicin particulares, que pueden ser la razn de las diferencias. De acuerdo con un anlisis de las caractersticas dinmicas de los suelos blandos de Bogot (a partir de ensayos dinmicos de campo y de laboratorio) se concluye que el mdulo de cortante de los suelos de la capital colombiana presenta una degradacin mayor que la reportada en la literatura tcnica a nivel internacional. As mismo la relacin de amortiguamiento tiende a dar valores mayores a los esperados y las curvas de amortiguamiento no tienden a un valor constante despus deformaciones de 1% en la mayora de los casos. Los mdulos de elasticidad de los suelos reportados en (Rodrguez, 2005) varan entre 9400 kPa y 240000 kPa. As mismo las velocidades de onda cortante varan entre 60 y 300 m/s y los periodos fundamentales de oscilacin de los estratos blandos puede llegar hasta 5 segundos. El estudio de Microzonificacin Ssmica de Bogot (Ingeominas y UniAndes, 1997) dividi la ciudad en diferentes zonas de acuerdo con el tipo de suelo presente en cada una de ellas y sus caractersticas se resumen a continuacin: Zona 1 (zona cerros): Caracterizada por la presencia de formaciones rocosas con capacidad portante relativamente buena. Puede presentar amplificaciones locales de aceleracin por efectos topogrficos. Zona 2 (Piedemonte): Conformada por la zona de transicin entre los cerros y la zona plana y consta principalmente de depsitos coluviales y conos de deyeccin de materiales con una elevada capacidad portante en general, pero con estratigrafas heterogneas con predominio de gravas, arenas, limos y depsitos ocasionales de arcillas de poco espesor. Zona 3 (Lacustre A): Est conformada principalmente por depsitos de arcillas blandas con profundidades mayores de cincuenta (50) metros. Pueden aparecer depsitos ocasionales de turbas y/o arenas de espesor intermedio a bajo. Presenta una capa superficial preconsolidada de espesor variable no mayor de diez (10) metros. Zona 4 (Lacustre B): Posee las mismas caractersticas de la Zona 3. Lacustre A, pero los depsitos superficiales (los primeros 30 a 50 metros) son consistentemente ms blandos que los anteriores. Adems, corresponde a la zona en que la profundidad hasta la roca base es del orden de 200 m hasta 400 m o ms. Zona 5 (Terrazas y conos): Se presenta predominantemente en la zona sur de la ciudad y est conformada por suelos arcillosos secos y preconsolidados de gran espesor, arenas o limos o combinaciones de ellos, pero con capacidad portante mayor que los depsitos de la zonas Lacustres A y B. En la Figura 2 se presenta un mapa de la ciudad con las zonas establecidas en la microzonificacin ssmica. Precisamente por estas particularidades de los suelos bogotanos fue necesario realizar el presente estudio con el fin de determinar las amplitudes de vibraciones que se generan con el trnsito de vehculos pesados biarticulados (sistema Transmilenio) o trenes con el fin de tener rdenes de magnitud de dichas vibraciones para los futuros sistemas de transporte masivo.

Figura 2. Mapa de la microzonificacin de Bogot (Ingeominas y UniAndes, 1997)

2. Medicin de vibracionesPara llevar a cabo las mediciones, se dispuso de equipos de alta sensibilidad conformado por los siguientes elementos: a) Cuatro (4) acelermetros ssmicos uniaxiales de alta resolucin (Vase la Figura 3). Los acelermetros tiene la capacidad de medir aceleraciones en un rango desde 0.00001 hasta 0.5 g. La respuesta de estos sensores se mantiene lineal para un rango de frecuencias entre 0.05 y 200 Hz. b) Amplificadores y filtros para los acelermetros que permite establecer amplificaciones de 10, 100 o 1000 mV/g y filtros por encima de los 450 Hz y de

los 100 Hz. c) Sistemas de adquisicin de datos para varios canales que permite tomar datos a una velocidad de 2000 datos por segundo (2kHz). d) Computador porttil para control y toma de datos. e) Cables varios con longitudes hasta de 50 metros

Figura 3. Acelermetros ssmicos usados para la instrumentacin

Teniendo en cuenta la zonificacin presentada en la Figura 2, en conjunto con los lugares por donde circula el sistema de transporte de la capital colombiana, se determinaron seis puntos de medicin en la ciudad. Cuatro de estos puntos se ubicaron en lugares de alto flujo vehicular de buses biarticulados (sistema Transmilenio). As mismo se ubicaron puntos en 3 de las 5 zonas de la microzonificacin ssmica. En la Figura 4 se muestra un mapa con los lugares de medicin. Los equipos se ubicaron principalmente en dos disposiciones. En la primera los cuatro equipos se dispusieron en diferentes lugares a lo largo de una lnea y midiendo aceleraciones uniaxiales en cada punto (Figura 5a). En la otra disposicin se ubic un equipo cerca a la fuente de vibraciones mientras que los otros tres equipos configuraban un sistema triaxial a diferentes distancias desde la fuente (Figura 5b).

Figura 4. Mapa de Bogot con la ubicacin de los lugares de medicin de las vibraciones (Adaptado de (Google Maps, 2010))

Figura 5. Disposicin de los acelermetros en dos diferentes configuraciones

En la Figura 6 se muestra un ejemplo de ubicacin de los equipos para la calle 148 con Autopista Norte.

Figura 6. Disposicin de los acelermetros en dos diferentes configuraciones

Con base en lo presentado en anteriores prrafos se tomaron registros de aceleracin contra el tiempo como los ilustrados en la Figura 7. A partir de estos registros y con base en tcnicas numricas se establecieron tres parmetros fundamentales: aceleracin mxima de los registros (Amax), velocidad pico de partcula (Vpp) y frecuencia dominante de cada registro. Con estos registros se determinaron las curvas de atenuacin de la aceleracin y la velocidad con respecto a la distancia. Dichos resultados de atenuacin se obtuvieron para trfico vehicular (vanse las Figura 8a la Figura 12) y para un tren turstico de pasajeros (Vase la Figura 13). Este ltimo registro presenta los valores ms altos de aceleracin (293 mg) y velocidad (13.2 mm/s). Para el caso del trfico vehicular el valor mximo de velocidad fue de 1.04 mm/s (en la calle 136 con Autopista Norte) y el valor mximo de aceleracin fue de 9.6 mg (en la calle 46 con Avenida Caracas). Ambos valores mximos se presentaron en los acelermetros ms cercanos a la va.

Figura 7. Registros de los acelermetros ubicados a 0.5m (a), 15.5 m (b) 30.5m (c) y 45.5 m (d)

Figura 8. Atenuacin de la aceleracin (a) y de la velocidad (b) en los registros tomados en la Calle 40 con Carrera 7a

Figura 9. Atenuacin de la aceleracin (a) y de la velocidad (b) en los registros tomados en la Calle 46 con Avenida Caracas

Figura 10. Atenuacin de la aceleracin (a) y de la velocidad (b) en los registros tomados en la Calle 127 con Avenida Suba

Figura 11. Atenuacin de la aceleracin (a) y de la velocidad (b) en los registros tomados en la Calle 136 con Autopista Norte

Figura 12. Atenuacin de la aceleracin (a) y de la velocidad (b) en los registros tomados en la Calle 148 con Autopista Norte

Figura 13. Atenuacin de la aceleracin (a) y de la velocidad (b) en los registros tomados en la Calle 153 con Avenida Novena (paso de tren)

Al comparar los anteriores valores con las referencias internacionales, las velocidades pico de partcula generada por el trfico vehicular no seran crticas para edificaciones. No obstante las velocidades pico de partcula del tren podran llegar a ser peligrosas para edificaciones frgiles ubicadas a menos de 15 metros de la va frrea en donde se generaran velocidades en el terreno superiores a 3 mm/s (lmite para generar dao a estructuras delicadas, muy sensibles a la vibracin). Vale la pena aclarar que las anteriores observaciones se apoyan en la evidencia experimental siempre que no vare demasiado el rango de velocidades de los vehculos medidos. De acuerdo con la referencia (Watts a, 2000) si se incrementan las velocidades de vehculos automticamente las velocidades pico de partcula creceran.

Con base en los lmites encontrados en las normas incluidas en el captulo de referencias y mencionadas anteriormente, se ha elaborado una grfica con el fin de incluir lmites asociados con el confort de las personas as como lmites para estructuras, cimentaciones y mquinas. Esta grfica depende de la amplitud de movimiento, estimada con base en la aceleracin registrada con los acelermetros (mediante tcnicas numricas y suponiendo osciladores simples), y depende tambin de la frecuencia dominante de la seal. Es por ello que en la Figura 14 se incluyen las mediciones realizadas en el presente estudio. Los desplazamientos se estimaron a partir de los registros de aceleracin mediante tcnicas numricas bsicas de la dinmica estructural.

Figura 14. Lmites asociados con confort en funcin de la frecuencia del registro

De acuerdo con lo anterior la mayora de las vibraciones pueden catalogarse como fcilmente perceptibles y perceptibles a personas y nicamente las vibraciones generadas por el tren se catalogaran como intensas para personas. Vale la pena mencionar que la seal de entrada (generada por los vehculos o por el tren de la Sabana de Bogot) depende directamente de la velocidad de movimiento de dichos vehculos. De acuerdo con las mediciones realizadas los vehculos biarticulados circulaban a una velocidad mxima entre 28 km/h y 53 km/h. Por su parte el tren de la Sabana de Bogot circulaba a una velocidad de 33 km/h. Si se tiene en cuenta que parte de la energa de entrada al terreno depende de la energa cintica y si se considera que la velocidad de circulacin de los vehculos que haran parte del metro de Bogot sera claramente superior a 33 km/h, muy probablemente los niveles de vibracin podran llegar a niveles que podran catalogarse como severos para personas (Bahrekazemi, M., 2004).

Por otro lado se trataron de establecer correlaciones entre la velocidad de onda "S" promedio de los estratos de suelo instrumentados y las frecuencias dominantes de los registros de aceleracin medidos. La informacin geotcnica se tena a partir de los estudios geotcnicos que se tenan de cada zona de acuerdo con las referencias (JEOPROBE, 2003), (JEOPROBE, 2005), (JEOPROBE, 2006), (JEOPROBE, 2007), (JEOPROBE, 2008), (JEOPROBE, 2009)). Se determinaron tambin correlaciones entre las amplitudes de desplazamiento registradas y las velocidades de onda "S" promedio de los estratos de suelo. Dichas curvas se presentan en las Figuras 15 y 16en conjunto con las lneas de tendencia y sus respectivas curvas lmites para intervalos de confianza del 99%.

Figura 15. Correlacin de la frecuencia de los registros en funcin de la velocidad de onda de los lugares bajo estudio

Figura 16. Correlacin de la amplitud de desplazamiento de los lugares instrumentados en funcin de la velocidad de onda de los lugares bajo estudio A pesar de que existen otras variables que afectan esta correlacin (como la velocidad del vehculo o la distancia a la cual se tomaron los registros) la tendencia de los datos medidos es que a mayor velocidad de onda "S" las amplitudes de desplazamiento registradas disminuyen y la frecuencia de los registros se incrementa debido a que la rigidez del suelo aumenta. Esto es consistente con la teora de osciladores simples y con los principios de la Dinmica Estructural. No obstante es la primera vez que se establece curvas de este tipo para los suelos de la capital de Colombia sometidos a cargas de vehculos.

3. Conclusiones y Recomendaciones Se tomaron registros de vibraciones producidas por diferentes tipos de vehculos y para diferentes condiciones de suelos blandos en 6 lugares de la ciudad Capital de Colombia. En general se encontr que los valores mximos de aceleracin y velocidad a distancias superiores a 45 m de la fuente, tienden a ser similares a los valores del ruido base. Los rangos de desplazamiento estimados estn entre 0.0001 mm y 0.1 mm. La velocidad pico de partcula mxima registrada para trfico vehicular fue de 1.04 mm/s y la aceleracin mxima registrada para trfico vehicular fue de 9.6 mg. Estos datos se establecieron para velocidades de los vehculos entre 28 y 53 km/h. Por su parte para los registros tomados para el paso del tren de la sabana (circulando a 33 km/h) presentan los valores ms altos de aceleracin (293 mg) y de velocidad (13.2 mm/s).

La mayora de las vibraciones registradas desde 0.1 m de la fuente hasta 50 metros de la misma pueden catalogarse como fcilmente perceptibles y perceptibles a personas y nicamente las vibraciones generadas por el tren se catalogaran como intensas para personas. A la luz de los resultados experimentales, a mayor velocidad de onda "S" las amplitudes de desplazamiento registradas disminuyen y la frecuencia de los registros se incrementa debido a que la rigidez del suelo aumenta.

4. ReferenciasAS 2187.2 (1993), Australian Standards, explosives. [ Links ]

Bahrekazemi M. (2004), Train-Induced Ground Vibration and Its Prediction. ISSN 1650-9501 . [ Links ] BS 7385 (1990), Evaluation and measurement for vibration in buildings. Guide for measurement of vibrations and evaluation of their effects on buildings. [ Links ] DIN 4150 (1999), Structural Vibration. Part 1: Prediction of Vibration parameters. Part 2:Human exposure to vibartion in buildings. [ Links ] Francois L. P. (2007), The influence of dynamic soil-structure interaction on traffic induced vibrations in buildings. Soil Dynamics and Earthquake Engineering , 655674. [ Links ] Watts, V. K. (2000), Ground-borne vibration generated by vehicles crossing road humps and speed control cushions. Applied Acoustics , 221-236. [ Links ] Google maps. (2010), Recuperado el 10 de diciembre de 2010 [ Links ]

Haoa H., Anga T. y Shen J. (2001), Building vibration to traffic-induced ground motion. Building and Environment , 321-336. [ Links ] Ingeominas y UniAndes. (1997), Microzonificacin ssmica de Santa F de Bogot; publicaciones Ingeominas; Santa F de Bogota; Ministerio de Minas y Energa (MZSB,1997) [ Links ] ITME (1985), Instituto Tecnolgico Geominero de Espaa. Manual de perforacin y voladura de rocas. [ Links ] ISO 2631. (1997), Mechanical Vibration and shock Evaluation of human exposure to whole-body vibration. [ Links ] ISO 6897. (1984), Guidelines for the evaluation of the response of occupants of fixed structures, especially buildings and off-shores structures, to low-frequency horizontal motion. [ Links ]

JEOPROBE. (2003), Asesora geotcnica y sismolgica para la evaluacin de la amenaza ssmica del edificio en la calleja. Bogot. [ Links ] JEOPROBE. (2005), Estudio particular de respuesta local de amplificacin de ondas ssmicas lote de la carrera 7 con calle 45, Bogot. [ Links ] JEOPROBE. (2006), Asesora geotcnica y sismolgica para la evaluacin de la amenaza ssmica del proyecto portal de la autopista. Bogot. [ Links ] JEOPROBE. (2007), Asesora geotcnica y sismolgica para la evaluacin de la amenaza ssmica del proyecto urbanizacin Crdoba I, Supermanzana I. Bogot. [ Links ] JEOPROBE. (2008), Estudio particular de respuesta local de amplificacin de ondas ssmicas Edificio Uriel Gutirrez. Bogot. [ Links ] JEOPROBE. (2009), Estudio particular de respuesta local de amplificacin de ondas ssmicas para la Av. 9 con calle 145. Bogot. [ Links ] Rodrguez J. (2005), Comportamiento dinmico de suelos blandos de Bogot. Congreso Chileno de Sismologa e Ingeniera Antissmica. Concepcin, Chile. [ Links ] Rodrguez J., Velandia E. (2008), Anlisis de registros de impactos en suelos blandos de Bogot. XII Congreso Colombiano de Geotecnia. Bogot. [ Links ] Sarria A. (2004), Investigacin no destructiva y cargas extremas en estructuras. Bogot: Eiciones Uniandes. Sarria A. (2006), Mtodos geofsicos con aplicaiones a la ingeniera civil. Bogot D.C.: Ediciones Uniandes. [ Links ] SN 640. (1978), Effects of vibration on construction. Swiss Association of Standards [ Links ] E-mail: [email protected] Fecha de recepcin: 27/ 12/ 2010 Fecha de aceptacin: 02/ 03/ 2011