ESTUDIO DE VIBRACIONES EN EDIFICIOS

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