vibraciones en sistemas de piso mediante los criterios del aisc/cisc y del sci

106 Pages·2007·2.18 MB·Spanish

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
UNIDAD ZACATENCO

VIBRACIONES EN SISTEMAS DE PISO MEDIANTE LOS
CRITERIOS DEL AISC/CISC Y DEL SCI

TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO CIVIL

PRESENTA:
ABIMAEL LORENZO MONTIEL

CONDUCTOR:
ING. JOSE LUIS FLORES RUIZ

ABRIL DE 2007

AGRADECIMIENTOS

A MIS PADRES ELVIRA MONTIEL Y GABRIEL LORENZO

Por todo su apoyo e infinito amor sin los cuales no
hubiera logrado finalizar esta meta. Ustedes son
una de mis razones para seguir adelante. Madre,
Gracias por haber cimentado en mi los principios
cristianos, siempre llevo en mi mente tu enseñanza
de que el mejor titulo que puede poseer una persona
es el de ser siervo de Dios.

A MIS HERMANOS

Misael, Orfa, Gabriel y Olivia, con ustedes comparto

todos mis logros y alegrías.
AL DR STEPHEN HICKS DEL STEEL CONSTRUCTION
INSTITUTE

Por haberse tomado la molestia de responder los
correos electrónicos y por haber enviado de manera
desinteresada la información relativa a vibraciones
en pisos con base al criterio británico.

A TODOS LOS PROFESORES DE LA ESIA ZACATENCO

Por que con su esfuerzo contribuyen a la creación de
un México más justo a través de la noble labor de la
educación.

AL ING. JOSE LUIS FLORES RUIZ

Gracias por transmitirme en cada clase la inquietud
por adquirir un espíritu crítico y analítico del
acontecer político y social además del técnico.
INDICE

1. INTRODUCCION. 1
1.1 NORMATIVIDAD MEXICANA. 2
1.2 NORMATIVIDAD EUROPEA. 3

2. PRINCIPIOS DE VIBRACIONES EN SISTEMAS DE PISO. 4
2.1. MODELADO DE LAS CARGAS VERTICALES 13
POR CAMINAR.
2.2. MODELADO DE LAS CARGAS VERTICALES 14
POR ACTIVIDIDADES RITMICAS.
2.3. RESPUESTA DEL SISTEMA DE PISO 16
2.3.1. FACTOR DE AMPLIFICACIÓN DINÁMICA. 16
2.3.2. ACELERACION PICO. 20

3. EVALUACION DE LA FRECUENCIA NATURAL 23
3.1. METODO APROXIMADO DEL AISC/CISC. 23
3.2. METODO APROXIMADO DEL SCI. 24
3.3. SECCIÓN COMPUESTA. 27
3.4. CARGAS DE DISEÑO EN LA CONDICIÓN DE VIBRACIÓN. 30
3.5. LIMITACIONES EN EL EMPLEO DE LOS CRITERIOS 31

4. PERCEPCION HUMANA DE VIBRACIONES. 32
4.1. FACTORES INFLUYENTES 32
4.2. CRITERIO DEL AISC 34
4.3. CRITERIO DEL SCI 35

5. DISEÑO PARA VIBRACIONES POR CAMINAR 37
5.1. CRITERIO DEL AISC 41
5.2. CRITERIO DEL SCI. 50
5.3. SISTEMAS DE PISO DE ALTA Y BAJA FRECUENCIA 54
6. DISEÑO PARA VIBRACIONES POR ACTIVIDADES RITMICAS 55
6.1. CRITERIO DEL AISC 55
6.2. CRITERIO DEL SCI 61

7. VIBRACIONES EN SISTEMAS DE PISO 64
DE CONCRETO PREFABRICADO CONFORME AL PCI
7.1. DISEÑO PARA VIBRACIONES POR CAMINAR 64
7.2. DISEÑO PARA VIBRACIONES 65
POR ACTIVIDADES RITMICAS

8. TECNICAS DE REFORZAMIENTO EMPLEADAS 66
EN NORTEAMERICA PARA CONTROLAR VIBRACIONES
8.1. RIGIDIZACION 66
8.2. INCREMENTO DEL AMORTIGUAMIENTO 67

9. CASOS DE APLICACIÓN PRACTICA 74
9.1. VIBRACIONES POR CAMINAR 74
9.2. VIBRACIONES POR ACTIVIDADES RITMICAS 93

CONCLUSIONES 96

BIBLIOGRAFIA 99
TESIS:
VIBRACIONES EN SISTEMAS DE PISO MEDIANTE LOS CRITERIOS DEL AISC Y DEL SCI

1. INTRODUCCION.

Para incrementar la eficiencia en el diseño estructural, se utilizan cada vez con
mayor frecuencia sistemas de piso ligeros empleando aceros de alta
resistencia en los cuales se considera la acción de la construcción compuesta.
De esta forma, se incrementa la resistencia y por ende la longitud de los claros
en las edificaciones.

Lo anterior trae como consecuencia sistemas de piso que poseen bajas
frecuencias naturales y que por lo tanto son potencialmente susceptibles a
problemas de vibraciones, que aun cuando las magnitudes de vibración sean
bajas, la molestia humana puede no serlo. En este sentido, la condición de
servicio por vibraciones puede ser dominante en el diseño y es necesario
aplicar una metodología para efectuar su revisión.

En la presente tesis se realizará una comparación entre las dos metodologías
de mayor aceptación para revisión de vibraciones. La establecida por el
American Institute of Steel Construction en Estados Unidos y Canada y la del
Steel Construction Institute en Inglaterra.

ABIMAEL LORENZO MONTIEL 1
TESIS:
VIBRACIONES EN SISTEMAS DE PISO MEDIANTE LOS CRITERIOS DEL AISC Y DEL SCI

1.1. NORMATIVIDAD MEXICANA.

Conforme a las NTC 04 sobre criterios y acciones de diseño estructural, en la
sección 4.2 se establece lo siguiente.

Los sistemas de piso satisfacen el estado límite de servicio por vibraciones
verticales si se cumplen las dos condiciones que a continuación se describen.

1. Las amplitudes tolerables de los desplazamientos debidos a vibraciones
verticales no podrán exceder los límites siguientes. Un desplazamiento
vertical en el centro de trabes en el que se incluyen efectos a largo plazo
igual al claro entre 240 mas 5 mm, en miembros en los cuales sus
desplazamientos afecten a elementos no estructurales, como muros de
mampostería, que no sean capaces de soportar desplazamientos
apreciables, se considerará como estado límite a un desplazamiento
vertical, medido después de colocar los elementos no estructurales,
igual al claro de la trabe entre 480 mas 3 mm. Para elementos en
voladizo los límites anteriores se duplicaran.

2. Además, deberán imponerse límites a las amplitudes máximas de las
vibraciones, de acuerdo con su frecuencia, de manera de evitar
condiciones que afecten seriamente la comodidad de los ocupantes o
que puedan causar daños a equipos sensibles a las excitaciones dadas.

En el caso particular del diseño de estructuras metálicas la sección 7.3
establece que las vigas y trabes que soportan grandes áreas abiertas, sin
muros divisorios ni otras fuentes de amortiguamiento, en las que las
vibraciones ocasionadas por el tránsito de personas puedan resultar
inaceptables, deben diseñarse tomando las medidas necesarias para reducir
las vibraciones a límites tolerables.

La revisión del estado límite de vibraciones es de especial importancia en
lugares para espectáculos en donde el público pueda producir movimientos
ABIMAEL LORENZO MONTIEL 2
TESIS:
VIBRACIONES EN SISTEMAS DE PISO MEDIANTE LOS CRITERIOS DEL AISC Y DEL SCI

sincronizados, como tribunas de estadios, auditorios, salones de baile y en
actividades aeróbicas.

1.2. NORMATIVIDAD EUROPEA

• prEN 1990: 2001 CI.5. “…La verificación al estado límite de servicio
debe basarse en un criterio que incluya lo siguiente… Las vibraciones
que provoquen incomodidad a las personas, o que limiten la
funcionalidad efectiva de la estructura...”

• prEN 1993-1-1: 2003 CI.7.2.3 (1) B “…Las vibraciones provocadas por
personas al caminar deben ser limitadas para evitar incomodidad a los
usuarios, los límites deben especificarse para cada proyecto y de
común acuerdo con el propietario de la estructura.”

• prEN 1992-1-1: 2003 CI.7.1 (1) P “… Algunos estados límites (como la
vibración) pueden ser de importancia en estructuras particulares…”

• ENV 1995-1-1: 1993 CI.4.4.1 (1) P “Debe asegurarse que las fuerzas
actuantes en una estructura no provoquen vibraciones inaceptables que
causen incomodidad a los usuarios.

En el caso particular de Inglaterra se establece lo siguiente:

• BS6399-1: 1996 CI.5 “… La carga estática de diseño no es suficiente en
estructuras sujetas a cargas dinámicas. En esta condición, el diseño
debe tomar en cuenta la interacción de la carga dinámica con la
estructura, es decir con su frecuencia natural, masa, amortiguamiento y
sus modos de vibrar.

• BS5950-1: 2000 CI.2.5.3 “La vibración en edificios debe ser limitada
para evitar incomodidad a los usuarios. Se deberá hacer referencia a
literatura especializada en esta materia.
ABIMAEL LORENZO MONTIEL 3
TESIS:
VIBRACIONES EN SISTEMAS DE PISO MEDIANTE LOS CRITERIOS DEL AISC Y DEL SCI

1.3. TERMINOLOGIA BASICA DE VIBRACIONES

El objetivo de está sección es presentar al lector los conceptos básicos
empleados en el desarrollo de la tesis.

Cargas dinámicas. Las cargas dinámicas son fuerzas excitadoras que varían
con respecto al tiempo a una determinada frecuencia, pueden ser clasificadas
como harmónicas, periódicas, aleatorias e impulsivas.

Cargas harmónicas. Son cargas que varían senoidalmente con respecto al
tiempo a una frecuencia constante (frecuencia forzada) Las cargas harmónicas
son cargas repetitivas provocadas generalmente por maquinaria rotatoria.
F (t)
tiempo
(t en seg)

Carga harmónica
Frecuencia de aplicación de la carga humana. Es la frecuencia forzada de
aplicación de la carga humana sobre uno o ambos pies, en actividades como:
caminar, bailar o el realizar aeróbicos.

Múltiplo harmónico. Un múltiplo harmónico es un múltiplo entero de la
frecuencia de aplicación de la carga repetitiva, por ejemplo los múltiplos de la
frecuencia de aplicación de la carga humana f para actividades humanas (la
step
frecuencia al caminar, al bailar o al realizar aeróbicos)

Cargas periódicas. Son cargas que se repiten a ciertos intervalos de tiempo T
(período). Tales cargas pueden ser transformadas en cargas harmónicas
mediante la suma de Fourier. Las cargas periódicas pueden ser provocadas
por actividades rítmicas humanas como bailar y el realizar aeróbicos.
ABIMAEL LORENZO MONTIEL 4