ESTUDIO DE VIBRACIONES EN EDIFICIOS Pablo L. Kantor Diego L. Persico Carlos Guzmán Abstract The experimental approach to the vehicles transit generated building vibrations is the current trend, in professional practice as in present and future codes. This article shows a concret aplication case of this methodology. Resumen La aproximación experimental a las vibraciones en edificios es la tendencia actual, tanto en la práctica profesional como en la reglamentación vigente y futura. Este artículo muestra un caso de aplicación concreta de esta metodología. Presentación del caso estudiado Se trata de un edificio antiguo ubicado sobre la Av. Huergo del centro de la ciudad de Buenos Aires. Construido en la década de 1920, la estructura es de mampostería portante con estructura de acero en su interior. La planta es rectangular alargada en el sentido Norte Sur, dividido en dos alas por la circulación vertical central o escalera. En el primer piso del ala norte, en particular en el ambiente destinado a Sala de Reuniones, sus usuarios experimentaban preocupación y molestia como consecuencia de las vibraciones desarrolladas en el piso de madera y en la mesa de la sala. Circunstancia que se repetía cada vez que transitaban vehículos pesados frente al edificio. Tipificación del problema planteado A fin de estudiar el estado y comportamiento del piso de madera, se desmontó una parte reducida del mismo. Se buscaba corroborar la presunción de que el problema consistía principalmente en vibraciones perceptibles en el piso de madera y losa, y menos evidentes en otras partes de la estructura del edificio. Esta presunción se confirmó con las mediciones realizadas en distintas oportunidades, para diferentes situaciones de tránsito. En dichas mediciones se observó que la amplitud de las aceleraciones en el antepecho de las ventanas, que son parte de la estructura portante del edificio, eran varias veces menores que las medidas sobre la mesa, las medidas en el mismo piso o que las medidas en la losa soporte. Los estudios permitieron comprobar que la solución del problema era al mismo tiempo local y global. Global, no por requerir un estudio generalizado propio del edificio en su conjunto, el que se muestra en aceptables y buenas condiciones; sino por tratarse de un fenómeno heterogéneo y extendido con implicancias mas allá de las vibraciones locales de la sala de reuniones. Los estudios tenían que incluir tipo de tránsito, tipo de calzadas, tipo de suelos y la arquitectura del edificio. Así es que al realizar el reconocimiento ocular del entorno del edificio, observamos que el tránsito sobre la avenida Huergo se encuentra constituido principalmente por transporte de carga del tipo “semiremolque”. Con una capacidad de 20 a 30 toneladas cada uno, estos camiones circulan en grupos numerosos. Además, estos grupos de vehículos circulan a considerable velocidad, estimada en unos 40 a 60 km/h. Especialmente aquellos que transitan por el carril que viene del norte, más próximo al edificio de marras. Esta elevada velocidad se ve favorecida por la pendiente descendiente que posee la avenida Huergo en las cuadras anteriores al cruce con la avenida Belgrano. Las vibraciones no han producido, hasta el momento, signos visibles de deterioro en el edificio. Los niveles de las mismas, según normas, están por debajo de los mínimos a partir de los cuales podría comenzar dicho deterioro. El problema era evaluar, sobre la base de normas, el riesgo para las personas y el edificio, que comportaban las vibraciones que en él se percibían y proponer medidas de atenuación. Dichas vibraciones tenían como fuente generadora la excitación asociada con el tránsito frente al edificio, que mencionáramos anteriormente. Las mediciones realizadas en la zona nos permitieron confirmar, entonces, que el origen de las vibraciones en estudio proviene de la carga dinámica generada por la rodadura normal de gran cantidad de vehículos pesados que circulan por las avenidas Huergo y Belgrano, acentuadas por las irregularidades del pavimento. Las vibraciones se propagan, por el suelo bajo el pavimento, a las bases del edificio, de estas a los muros y de estos últimos a las losas. Dichas vibraciones no comprometen por ahora la seguridad del edificio según las normas para su control. Esto pudo verificarse con las mediciones efectuadas. Sin embargo, las vibraciones, encuentran simpatía con la frecuencia natural de las losas de los pisos, en particular con las del ala norte del primero. Donde, por la forma en que esta construido el solado de madera, las mismas resultan molestas a sus habitantes, realzando la sensación de incomodidad. Evaluación experimental de la magnitud de las vibraciones. Se efectuaron mediciones de vibraciones usando instrumental con registro digital, en el modo aceleración, que es el genuino del instrumento. Dichas mediciones se hicieron, principalmente, sobre el piso de madera, sobre la losa soporte, el alfeizar de las ventanas y la mesa de la sala de reuniones. También, a los efectos de evaluar la variación de las vibraciones desde las Avenidas Belgrano y Huergo hasta la sala de reuniones, se incluyeron algunas mediciones en la vereda exterior del edificio y en los alfeizar de ventanas de los muros respectivos. Para las comparaciones necesarias se emplearon los criterios establecidos por la Norma ISO 2631, para lugares de trabajo. Es relevante destacar que, dada la naturaleza global y heterogénea del problema, como ser tipo de tránsito, tipo de pavimentos y su estado, porte y velocidad de los vehículos, propiedades del suelo, tipo de estructura del edificio y sus cimentaciones, es poco menos que imposible la elaboración de un modelo dinámico teórico. Ya que el mismo debería permitir predecir numéricamente la influencia sobre la percepción de vibraciones que tienen los usuarios de la sala ante el cambio de algunas de las muchas variables que regulan este problema dinámico. La bibliografía actual así lo reconoce sugiriendo la vía experimental y el apoyo en la normativa vigente para la evaluación de la magnitud de las vibraciones. Características constructivas del piso El piso de la sala de reuniones, en su estado original, lo componen varias partes. La primera es la losa soporte, del tipo bovedillas, formada por vigas de acero, en la dirección de la menor luz y espaciadas cada 50 cm. Esta separación se salva con una pequeña bóveda de ladrillos cerámicos comunes. Sobre los ladrillos se encuentra un relleno de hormigón pobre terminado con un alisado de cemento. La segunda parte la forman tirantes de madera, de dirección paralela a la de las vigas metálicas, espaciados cada 40 cm, que apoyan directamente sobre la cara superior de la losa soporte. La última parte es el solado. Esta formado por un entablado de madera de dirección perpendicular a la de los tirantes y apoyado sobre estos últimos. Modificación del piso para atenuar la sensación vibratoria de los ocupantes Con los resultados de la metrología efectuada se depuró la finalidad del estudio emprendido, permitiendo seleccionar la solución más conveniente para los múltiples factores en juego presentes en este caso. La propuesta de modificación del piso para atenuar las molestias producidas por las vibraciones consistió en transformarlo de piso rígido a piso flotante. Para ello se hacen pasar, por agujeros practicados en los tirantes, pequeños resortes diseñados para modificar la rigidez del conjunto tirantes-entablado. De este modo se baja la frecuencia natural del conjunto por disminución de su rigidez. Los resortes pueden ser regulados dándoles una precarga. Para ello se actúa, desde la parte superior del entablado, sobre tornillos de ajuste pasantes por los resortes. Con esto se logra llevar el montaje a 5Hz. En el vacío que queda por debajo del entablado y entre los tirantes, se coloca lana de vidrio de alta densidad con la finalidad de agregar la amortiguación necesaria al sistema. Camino de las vibraciones inducidas por el tránsito Se confirmó que la vibración original producida por el pasaje de vehículos, especialmente los pesados, se transmite por el suelo, alcanza la vereda y sube por los cimientos y paredes hasta el primer piso donde el espectro, a esa altura de banda ancha, se sintoniza en la losa y emerge en la sala de reuniones con pico amplificador, en un ancho de banda angosta de 14 Hz aproximadamente. La concentración del espectro en el pico de 14 Hz se corresponde con una zona muy perceptible para el ser humano. La emisión de espectro de banda ancha proviene de la acción de la rodadura de cuerpos que no son cilindros perfectos sobre un pavimento irregular y no plano, que se combina con los choques en pozos y escalones del mismo. Las vibraciones de dirección horizontal no se registraron, por ser pequeñas frente a las verticales, menos del 10 % de las mismas. Comparación de valores medidos con los valores de normas Según la British 7385, Parte 2, se esperan posibles daños cosméticos a partir de los 15 mm /s como limite pesimista de la velocidad pico de vibración. La norma Suiza SN 640312a da valores similares y según lo publicado en la Rilem 1963, pag. 19, sobre figura de daño en edificios de mampostería, artículo de R. Ciesielski, se tienen también valores análogos. En este caso hemos obtenido un máximo, en la velocidad pico, de solamente 4 mm/s, valor calculado sobre la base de lo medido. Destacamos, además, que hasta el momento habrán ocurrido, probablemente, varios centenares de miles de ciclos o eventos, sin fallas visibles en las zonas del edificio de mayor vibración. Propuesta de atenuación en la sensación de los ocupantes Se baja la frecuencia resonante del piso de la sala de reuniones con un montaje en paralelo de resortes de 5Hz y lana de vidrio de alta densidad ubicados en el vacío que queda entre el entablado y la cara superior de la losa. Con este montaje la carga sobre el piso se reparte en un 80% sobre los resortes y un 20% sobre la lana de vidrio. Se logra así generar una frecuencia mucho menor que 14 Hz y una dosis de amortiguación alta. Esta combinación se considera apta para la excitación del tipo existente, que es principalmente por choque. Se espera una atenuación no menor al 50 % en las amplitudes actuales, según confirmamos en ensayos realizados en el Laboratorio de Materiales y Estructuras. Propuesta de atenuación actuando sobre la fuente El estado de deterioro del pavimento indica que pueden atenuarse las vibraciones percibidas con el correcto mantenimiento del mismo. Resumen de resultados experimentales Como complemento se muestran una planilla de valores medidos y uno de los gráficos. Este último es de la transformada rápida discreta de Fourier para marcar las frecuencias preponderantes, tomadas sobre los valores pico, donde las frecuencias están calibradas. Los valores en ordenadas son cualitativos y sirven a los efectos comparativos entre los distintos espectros obtenidos, ya que provienen de acciones de tránsito de distinta intensidad original. El instante que representa la curva mostrada es un momento en el tiempo de vibración transitoria. Otros gráficos obtenidos de igual forma permitieron la visualización de la diferente composición espectral entre los puntos de medición. MEDICION DE VIBRACIONES EDIFICIO Av. HUERGO 431 EN Piso 1: Sala de reuniones. Planta Baja: Vereda. Punto Planta Nº Oficina Tipo de Condición del Tránsito Medición Observada 1 Aceleración Sensor cm/seg² Acelerac ubicado sobre: Piso 1º-SR Alfeizar 1 RMS Piso 1º-SR Alfeizar Piso 1º-SR Piso de madera Piso 1º-SR Piso de madera Piso 1º-SR Piso de madera Piso 1º-SR Mesa de reunión Piso 1º-SR Mesa de reunión Piso 1º-SR Losa Cara Sup. Piso 1º-SR Piso de Madera Piso 1º-SR Losa Cara Inf. Piso 1º-SR Piso de Madera Piso 1º-SR Piso de Madera Piso 1º-SR Piso de Madera PB-Exter. Baldosa vereda PB-Exter. Alfeizar ventana PB-Exter. Reja ventana PB-Exter. Tapa desagüe Piso 1º-IO Piso Madera Piso 1º-IO Piso Madera 2a4 7 RMS RMS Detenido s/ ambas avdas. Activo s/ Huergo Activo s/ Huergo 4 RMS Activo s/ Belgrano 8 a 13 RMS Activo s/ Huergo 18 RMS Activo s/ Huergo 18 RMS Activo s/ Huergo 16 35 RMS O-Pico Activo Activo s/ Huergo s/ Huergo 35 10 O-Pico RMS Activo Activo s/ Huergo s/ Huergo 4 RMS Activo s/ Huergo 1a2 RMS Activo s/ Huergo 8 RMS Activo s/ Huergo 3 RMS Activo s/ Huergo 7 9 3 7 RMS RMS RMS RMS Activo Activo Activo Activo s/ Huergo s/ Huergo s/ Huergo s/ Huergo 1 2 2 3 4 5 5a 5b 5c 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Abreviaturas: SR sala de reuniones. IO ingeniería de obra. Exter. exterior vereda Pinotea central prim. piso 4.50E-02 4.00E-02 3.50E-02 V a lo r p ro p . a la a ce ler a c ió n 3.00E-02 2.50E-02 2.00E-02 1.50E-02 1.00E-02 5.00E-03 0.00E+00 0 20 40 60 80 100 120 -5.00E-03 Fre cuencia en Hz Autores Pablo L. Kantor. Ingeniero Industrial. Profesor Invitado del LAME [email protected] Diego L. Persico. Ingeniero Civil. Director del LAME. [email protected] Sr. Carlos Guzmán Estudiante de Ingeniería Mecánica Pasante en el LAME. [email protected] LAME: Laboratorio de Materiales y Estructuras Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires Normas aplicables British 7385: Part2 SN 640312 Rilem 1963, Budapest. Autor R. Ciesielski. Bibliografía: Den Hartog, J. P. “Mecánica de las vibraciones” Editorial Continental. Ciudad de México, 1984 MCGraw Hill 140 160 180 200
