El Perú, Japón y Chile son algunos de los países que presentan un mayor peligro sísmico y, debido a esto, se han enfocado en utilizar dispositivos, como aisladores, que disminuyan la vulnerabilidad de sus estructuras. Los aisladores sísmicos flexibilizan la estructura obteniendo periodos de vibración de hasta tres veces más que el correspondiente a la edificación convencional. Esto genera que la superestructura se mueva como un sólido rígido evitando grandes variaciones de los desplazamientos laterales de entrepiso que son los causantes de los daños en las edificaciones. Este proyecto de tesis realiza un estudio de diferentes modelos estructurales correspondientes a edificaciones en donde se ha variado algún parámetro de la estructura a fin de analizar la influencia de la esbeltez en edificios con base aislada. Las variables que se modificaron fueron el número de crujías (vanos) de la base y el número de pisos en casos diferentes para obtener valores distintos de las esbelteces. Además, se analizaron modelos de edificios de 12 pisos donde se rigidizó la superestructura al aumentar el peralte de las vigas. Asimismo, se realizó un análisis tiempo historia de un edificio convencional y uno con base aislada con características similares utilizando las señales sísmicas de Lima 66, Ancash 70 y Lima 74. Finalmente, se diseñó un edificio convencional y su respectivo de base aislada a fin de realizar comparaciones del comportamiento estructural y de los materiales.

El Perú está ubicado en el conocido cinturón de fuego, donde interactúan la placa de nazca bajo la sudamericana, el mismo que se desarrolla con una velocidad promedio de 7-8 cm/año (DeMets et al, 1980; Norabuena et al, 1999), por lo que estamos expuestos a movimientos tectónicos importantes con periodos de recurrencia cortos, terremotos que han causado muchas muertes e ingentes perdidas económicas; Arequipa está ubicada en una zona sísmica. Debido a esta amenaza sísmica es que la innovación tecnológica estructural propone la protección sísmica de las estructuras a través de dispositivos pasivos como aisladores y disipadores de energía visco elásticos, de fricción o metálicos. Estos permiten que las estructuras tengan un mejor comportamiento estructural, desacoplando la estructura del suelo con estos dispositivos reduciendo drásticamente el movimiento sísmico en la superestructura, pudiendo ser imperceptible por los usuarios, mejorando su funcionalidad y operatividad de la edificación postsismo; sin embargo, se tiene un incremento en el costo comparado con un diseño tradicional. Al no tener mucha demanda sísmica la superestructura, se puede utilizar aceros de alta resistencia para reducir secciones de concreto y minimizar densidades de acero pudiendo tener intersecciones de acero (nudos) con poca interferencia. En la tesis se utiliza aisladores LRB (goma con núcleo de plomo) para una edificacion de 7 pisos regular en planta y elevación, con una relación de esbeltez de 2, presentando dos estructuraciones dual y aporticada. Comparamos sus características estructurales de las edificaciones para un diseño convencional y luego de proponer el sistema de aislamiento con 2 tipos de dispositivos LRB para cada estructuración se diseña la propuesta de edificacion aislada con estructuración dual con acero de construcción grado 60 y la edificacion aporticada con acero grado 75. Se realiza una comparación de metrados y presupuesto de partidas de estructuras para las 2 estructuraciones con cantidades de acero y concreto en columnas y vigas. Se concluye que es conveniente estructurar las edificaciones aisladas aporticadas y utilizar acero grado 75 u 80 sin incrementar sustancialmente el costo de una edificacion aislada. / Peru is located in the well-known belt of fire, where the Nazca plate under the South American plate interacts, the same one that develops with an average speed of 7-8 cm / year (DeMets et al, 1980; Norabuena et al, 1999), so we are exposed to important tectonic movements with short repetition periods, earthquakes that have caused many deaths and huge economic losses; Arequipa is located in a seismic zone. Due to this seismic threat, the structural technological innovation proposes the seismic protection of structures through passive devices such as insulators and visco-elastic, friction or metallic energy dissipators. These devices allow the structures to have a better structural behavior, decoupling the structure from the ground with these devices, drastically reducing the seismic movement in the superstructure, which can be imperceptible by users, improving its functionality and operability of the post-earthquake building; however, there is an increase in cost compared to a traditional design. As the superstructure does not have much seismic demand, high-strength steels can be used to reduce concrete sections and minimize steel densities, being able to have steel intersections (knots) with little interference. In the thesis, LRB insulators (lead core rubber) are used for a building of 7 levels with regular plan and elevation, with a slenderness ratio of 2, presenting two dual and porticoed structures. We compare the structural characteristics of the buildings for a conventional design and after proposing the insulation system with 2 types of LRB devices for each structuring, the isolated building proposal is designed with dual structuring with 60-degree construction steel and the building provided with 75-degree steel. A comparison of metrics and budget of structure items is made for the 2 structures with quantities of steel and concrete in columns and beams. It is concluded that it is convenient to structure the porched isolated buildings and use 75 or 80-degree steel without substantially increasing the cost of an isolated building.

El objetivo principal de la presente tesis es aportar al estado del arte del diseño sismo resistente de puentes con sistemas de protección sísmica, mediante la comparación del desempeño sísmico de un puente con aisladores y un puente con aisladores sísmicos más disipadores de fluido viscoso, para lo cual se tomó el caso de estudio del puente Quilca. Se determinó el desempeño sísmico del puente Quilca frente a la demanda sísmica del Manual de Puentes del MTC 2017, mediante un análisis estático no lineal (push over), tanto en la dirección longitudinal como en la dirección transversal. Luego se establecieron 3 casos de estudio; el primero considera al puente Quilca en su estado existente, el segundo caso considera la inclusión de un sistema de aislamiento sísmico con dispositivos con núcleo de plomo LRB, y el tercer caso considera la inclusión de un sistema de protección híbrido, conformado por un sistema de aislamiento sísmico con inclusión de disipadores de fluido viscoso. Se realizaron análisis sísmicos modales espectrales y tiempo historia no lineal, para los 3 casos de análisis mencionados, obteniéndose registros de desplazamientos, fuerzas cortantes y momentos flectores, periodos fundamentales, amortiguamiento, entre otros. En el capítulo de análisis de resultados, se resumen los resultados obtenidos en cada caso de estudio, y se discuten los mismos. Finalmente se comparan los 3 caso de estudio, analizando cara parámetro mediante gráficas comparativas, y determinando la alternativa con mejor desempeño sísmico. / The main thesis objective is to contribute to the state of the art of earthquake resistant design of bridges with seismic protection systems, by comparing the seismic performance of a bridge with seismic isolators and a bridge with seismic isolators plus viscous fluid dampers, for which which took the case study of the Quilca bridge. The seismic performance of the Quilca bridge was determined against the seismic demand of the MTC 2017 Bridge Manual, by means of a nonlinear static analysis (push over), both in the longitudinal direction and in the transverse direction. Then 3 case studies were established; the first considers the Quilca bridge in its existing state, the second almost considers the inclusion of a seismic isolation system with devices with LRB lead core, and the third case considers the inclusion of a hybrid protection system, made up of a system of seismic isolation and the inclusion of viscous fluid dampers. Modal spectral seismic analyzes and non-linear time history were realized for the 3 cases of analysis mentioned, obtaining records of displacements, shear forces and bending moments, fundamental periods, damping, among others. In the analysis of results chapter, the results obtained in each case study are summarized and discussed. Finally, the 3 case studies are compared, analyzing each parameter through comparative graphs, and determining the alternative with the best seismic performance.

Los proyectos con aislamiento sísmico se están incrementando a nivel nacional, incluso la norma sísmica peruana E-030 establece que se deben usar aisladores sísmicos en hospitales ubicados en la zona sísmica 4 y 3 del mapa sísmico del Perú. Es aceptado también que puede haber edificios aislados en suelos S1, S2 y S3. En edificios aislados que están sobre suelos tipo S3 y en zona sísmica 4 para un mismo amortiguamiento se obtienen los mayores valores de desplazamiento de la base aislada. Esto implica utilizar conexiones flexibles que acomoden dicho desplazamiento, además en algunos casos estos desplazamientos ocasionan que exista una menor área utilizable del edificio. Una de las alternativas para reducir dichos desplazamientos es la colocación de Amortiguadores Viscosos complementarios en la base del edificio aislado los cuales adicionan amortiguamiento al sistema de aislamiento. En esta investigación se evaluó un modelo matemático de un edificio de 05 pisos que tiene aisladores elastoméricos LRB, ubicado en la zona sísmica 4 y sobre un suelo S3. Dicho modelo fue analizado luego con Amortiguadores Viscosos complementarios dispuestos en 5 condiciones diferentes de amortiguamiento: 15%, 30%, 45%, 60% y 75%. Para todos los análisis se utilizaron 7 señales sísmicas espectro-compatibles. Se obtuvieron reducciones del Desplazamiento de la base aislada hasta de un 30% de su valor inicial. Se analizó la variación de las respuestas (Aceleraciones, Derivas, Fuerzas Cortantes, Energía Disipada) en función del incremento de amortiguamiento. Se verificó que para la sismicidad peruana la combinación de aisladores y amortiguadores tiende a incrementar las respuestas sísmicas de la superestructura. / Projects with seismic isolation are increasing at Peru, even the Peruvian Seismic Standard establishes that seismic isolators must be used in hospitals located in seismic zone 4 and 3 of Peruvian seismic map. Is also accepted that there may be isolated buildings on soils S0, S1, S2 and S3. In isolated buildings that are on soil type S3 and in seismic zone 4, maximum displacement values are obtained. This implies the use of flexible connections; in addition in some cases these displacements cause that there is a smaller usable area of the building. One alternative to reduce these displacements is the use of Supplementary Viscous Dampers in the base of isolated building which adds damping to isolation system. In this research, a mathematical model of a 5-story building with elastomeric isolators, located in seismic zone 4 and soil type S3 was evaluated. This model was then analyzed with Supplementary Viscous Dampers, considering 5 different conditions of critical damping ratio: 15%, 30%, 45%, 60% and 75%. For all analyzes, 7 time-history records compatible with Peruvian seismicity were used. Displacement reductions of isolated base were obtained up to 30% of its initial value. The variation of responses (Accelerations, Drifts, Shear Forces, and Dissipated Energy) was analyzed as a function of the damping increasing. It was verified that the Peruvian seismicity combination of isolators and dampers tends to increase the seismic responses of the superstructure. / Tesis

El avance en el conocimiento de técnicas de análisis más refinadas frente a los altos niveles de amenaza sísmica en el Perú, hace necesario la evaluación de la infraestructura hospitalaria construida en el territorio peruano. Los edificios de hospitales son estructuras esenciales que durante y después de los movimientos sísmicos deben seguir operando, por lo que existe un amplio interés en mitigar al máximo el riesgo del sistema estructural en cada uno de sus componentes y lograr el desempeño esperado. El hospital regional Eleazar Guzmán Barrón ubicado en el distrito de Nuevo Chimbote de la Provincia del Santa de la Región Ancash, fue diseñado en 1974 con un código que no garantiza que se cumplan los requisitos más rigurosos de los códigos vigentes. En el presente trabajo se estudia el desempeño sísmico del bloque D del mencionado nosocomio. El estudio comprende primero el análisis estático no lineal y luego el dinámico incremental de la estructura que, al ser sometido a movimientos sísmicos de distintos niveles de intensidad, permitirá conocer la respuesta en ambas direcciones. En la dirección longitudinal, la estructura tiene niveles de desempeño inesperados, comportamiento elástico hasta alcanzar rápida y violentamente el nivel de seguridad limitada frente sismos menores que el de diseño porque en los ejes de fachada la edificación presenta el efecto de columna cautiva. En la dirección transversal la situación es aún peor, frente a todos los niveles de amenaza, el desempeño que se alcanzaría es de colapso. En vista que la edificación es poco dúctil y poco resistente, se recomienda realizar de forma inmediata el reforzamiento del bloque D del hospital regional Eleazar Guzmán Barrón para dotarla de capacidad de deformación y resistencia y así garantizar niveles de desempeño aceptables frente a sismos moderados y severos que están por venir.

Se presenta la evaluación del efecto torsional en edificios de seis pisos aislados de concreto armado, considerando el efecto de las excentricidades de rigidez (er) en la superestructura. Este tipo de excentricidad produce amplificaciones significativas de desplazamientos laterales en los edificios aislados e influyen más en los aisladores de fricción. La escasez de estudios sobre este tema en particular motivó evaluar el comportamiento del aislador de fricción de triple péndulo (TFP, en sus siglas en inglés) ante los efectos de er, y para ello se planteó un análisis comparativo con el aislador elastomérico de núcleo de plomo (LRB). Los edificios de seis niveles fueron definidos a través de los siguientes parámetros: excentricidad de rigidez normalizada uni-direccional (er/r), el periodo fundamental de vibración en la dirección Y (Ty), la relación de periodos laterales en las direcciones X e Y (Ty/Tx), y el grado de acoplamiento torsional (Ω). Para el sistema de aislación se consideraron como parámetros el periodo de vibración (Tb) y el amortiguamiento del sistema (ξb); además, se evaluó de manera particular la excentricidad de rigidez normalizada uni-direccional de la base de aislación (er(ba)/r) y el grado de acoplamiento torsional del sistema (Ωba). Las estructuras fueron solicitadas mediante 7 pares de registros de aceleraciones sísmicas reales considerando acciones bi-direccionales, escaladas al espectro de diseño de pseudo-aceleraciones de la norma E.031 (2020), y sus respuestas sísmicas fueron obtenidas a partir de análisis no lineal tiempo historia. Se analizó la influencia de cada parámetro a partir de las respuestas sísmicas globales máximas tales como los desplazamientos laterales, las rotaciones de cada planta, las derivas y las aceleraciones de entrepiso. Se observó un similar comportamiento torsional empleando ambos dispositivos. Los edificios asimétricos aislados con TFP presentaron ligeramente mayores desplazamientos laterales, pues estos dispositivos no desarrollaron toda su capacidad disipativa. En general, la presencia de er generó un factor de amplificación de desplazamiento lateral respecto al edificio simétrico aislado (er= 0) de 1.24 en edificios aislados con LRB y de 1.15 en edificios aislados con TFP. Asimismo, las mejores opciones para reducir la torsión en edificios aislados con er en la superestructura consisten en aumentar Ω o mantener una relación Tb/Ty> 3.5. Adicionalmente, se comparó la influencia de la excentricidad de masa (em) y rigidez (er) en la superestructura para los edificios asimétricos aislados verificando que la presencia de em produce mayores amplificaciones de desplazamientos laterales. Además, el parámetro Ω tuvo mayor control torsional en los edificios asimétricos aislados con er que con em.

En la actualidad, el uso de sistemas de aislamiento sísmico en el Perú está dirigido a edificaciones esenciales, y otros edificios si el costo del sistema es rentable. Sin embargo, hay casos poco atendidos como la protección efectiva de personas vulnerables dentro de sus viviendas, y contenidos delicados dentro de algún ambiente de un edificio ya existente. La ingeniería sismorresistente se enfoca en una persona promedio –persona que puede evacuar una edificación sin ayuda–. Sin embargo, el 10% de la población del Perú son personas con discapacidad, y durante un sismo es más probable que se encuentren solas en sus viviendas (edificio común) y no en un hospital con aislamiento sísmico (edificación esencial). Diversos estudios internacionales indican que la situación de estas personas, ya de por sí vulnerables, se agrava luego de un sismo moderado o severo. Asimismo, actualmente no hay una opción económica de aislamiento sísmico, que proteja al menos los contenidos importantes dentro de una zona de una estructura existe. Por estas razones, se necesitan propuestas de aislamiento sencillas y económicas para casos de pequeña escala como: la habitación de una persona vulnerable en un primer piso, un sector de un hospital antiguo, un ambiente con contenidos delicados dentro una estructura existente o nueva, etc. La tesis propone y analiza numéricamente un modelo de sistema de aislamiento sísmico modular que reduce las aceleraciones en la plataforma o piso sobre el que estarían las personas vulnerables y/o contenido delicado. Para definir un sismo representativo para el análisis se incluyen: parámetros estandarizados como la aceleración máxima del suelo y la intensidad de Mercalli modificada, y otras variables como el potencial destructivo del sismo y la duración del sismo. En base a estos criterios, entre los sismos históricos más relevantes del Perú, las señales sísmicas que mejor representan al sismo de mayor intensidad son de Arequipa 2001 y Pisco 2007. Luego, se define el modelo de sistema de aislamiento sísmico modular, con apoyos cada 0.25m2 para que sea adaptable en ambientes pequeños. Cada apoyo aísla la plataforma del movimiento sísmico en la base, mediante una rótula mecánica y contacto liso, dentro de una superficie cóncava que le permite moverse libremente. Para el análisis, se considera una plataforma unitaria cuadrada de 0.25m2 y se varía sus diferentes parámetros dinámicos para evaluar su influencia en la atenuación del movimiento y de la aceleración. Esto permite definir los parámetros dinámicos optimizados de diseño. Se calculó su comportamiento con Matlab y se simuló su comportamiento en Ansys Workbench, con resultados similares. El sistema propuesto puede reducir la aceleración máxima hasta en un 85%. Con esto se logra un efecto que cumple con estándares de confort de personas ante vibraciones cotidianas. Finalmente, se presenta los planos del sistema de aislamiento modular, así como planos de una serie de ejemplos de aplicación.

Desde los inicios de la humanidad, gran parte de la población mundial, en distintas regiones, han sufrido las pérdidas de vidas y daños a sus propiedades debido a los terremotos. Es por esto que los ingenieros, a lo largo de los años, han venido desarrollando varios diseños y tecnologías de construcción para intentar mitigar los efectos de los terremotos en edificios, puentes y contenidos potencialmente vulnerables. El aislamiento, sísmico, es, un dispositivo relativamente reciente que salvaguarda las estructuras, frente a consecuencia destructivas, de un sismo, aislando la estructura, de la superficie y de esa manera, impidiendo que los movimientos sísmicos se transmitan a la misma. Para lograr, esta separación se utilizan dispositivos llamados aisladores, que; por estar colocados me manera eficiente debajo de las columnas de la superestructura, pueden cumplir un rol significativo durante la acción de un sismo. En particular, los aisladores con, corazón de plomo, (LRB), se fabrican de caucho de bajo amortiguamiento y capas intercaladas de acero, y en el corazón un núcleo de plomo. Este núcleo de plomo, permite aumentar su rigidez inicial y aumentar la cantidad de disipación de energía a través del incremento, del amortiguamiento, del aislador entre 25, y 30%. Esta tesis pretende investigar acerca de la obtención de las propiedades mecánicas del aislador LRB a partir de su dimensionamiento interno para su posterior testeo y fabricación. Asimismo, se generará una plantilla de cálculo que facilitará la obtención de las propiedades del aislador en base a las dimensiones propuestas. Como resultado se espera aportar conocimiento que pueda servir de ayuda para que en un futuro se puedan fabricar este tipo de aisladores en el país y no depender de patentes extranjeras. Entonces, se concluye que el aislamiento sísmico acrecienta el, periodo y el amortiguamiento, de la estructura, lo cual se interpreta en una disminución de la demanda sísmica del terremoto hacia la estructura. Pese a ello, se puede afirmar que la mejor opción para utilizar este sistema es sobre estructuras rígidas situadas en suelos también rígidos, lo cual puede aplicarse en la ciudad de Lima debido a su edafología.

La presente tesis expone las ventajas del uso de aisladores sísmicos mediante una comparación entre un puente con aisladores sísmicos y con apoyos convencionales tomando como referencia una alternativa al Puente Dueñas. Así mismo, hace énfasis en la mejora de la respuesta sísmica, y en la reducción de las dimensiones y cantidad de acero del pilar central. Estos beneficios fueron demostrados mediante la comparación de los resultados del análisis matemático del puente, puesto que estos, permiten observar la diferencia que hay entre el comportamiento y los elementos esperados. En el primer capítulo se describe la introducción al tema. Se establece el objetivo general y los objetivos específicos de la presente tesis, así como la justificación y la metodología. El segundo capítulo refiere al marco teórico y la importancia que tiene el estudio realizado en la elección para el mejor comportamiento de la estructura. En el tercer capítulo se describe el proyecto y se predimensionan los elementos del puente. En el cuarto capítulo se realiza el análisis estructural del puente, para el cual, se considera el modelo computacional y la asignación de cargas. Se obtienen los resultados de desplazamientos y fuerzas en la estructura. En el quinto capítulo se realiza el diseño estructural del pilar central. Se calculan las propiedades de diseño para el aislamiento sísmico y se obtienen los valores de los desplazamientos y fuerzas de diseño, así como las dimensiones y cantidad de acero del pilar central. En el sexto capítulo se realiza la comparación de los resultados obtenidos en los capítulos 4 y 5. En el séptimo y último capítulo se presentan las conclusiones a las que se llegaron con el estudio. Se responde el objetivo general y específicos de la tesis y se enuncian las recomendaciones para futuras líneas de investigación.

Esta investigación consiste en la evaluación del comportamiento inelástico y no lineal de un hospital de concreto armado diseñado con aisladores sísmicos de base. Además, busca revisar su desempeño y capacidad de ductilidad a partir de la comparación de las derivas de entrepiso con y sin aisladores, considerando el comportamiento inelástico de la superestructura. La investigación se basa, en un principio, en modelar la estructura de un hospital, previamente diseñado, e introducir las propiedades inelásticas de los elementos como rótulas plásticas y aisladores, utilizando los principios de equilibrio, compatibilidad y relaciones constitutivas para construir curvas momento-curvatura para cada sección que requiera ser analizada. Todo esto con el fin de conocer el comportamiento estructural y secuencia de agotamiento de capacidad de las secciones para la estructura con y sin aisladores, empleando un análisis pushover y tiempo-historia. Se espera comprobar la eficiencia de los aisladores para reducir la deriva de entrepiso y mejorar el desempeño sísmico del hospital.