la aislacion sismica

8/8/2019 La Aislacion Sismica

1/12

AISLACINSSMICA YDISIPACIN

ANTECEDENTES

Durante la ltima dcada el concepto de aislacin ssmica ha comenzado a ser consideradoseriamente como una alternativa en el diseo sismorresistente de estructuras, especialmenteen aquellos casos en que se busca un mejor desempeo ssmico para las estructuras y suscontenidos. El excelente desempeo que las estructuras aisladas han tenido durante lossismos de Northridge (Los Angeles, 1994) y Kobe (Kobe, 1995), avalan las bondades deesta alternativa en cuanto a aumentar considerablemente el nivel de seguridad para laspersonas y la operabilidad de la estructura despus de un sismo.

Actualmente, los conceptos de aislacin ssmica se ensean como parte del currculo de

Ingeniera Civil en la mayora de las Universidades mundialmente reconocidas,innumerables investigaciones se han desarrollado para demostrar la eficiencia de laaislacin ssmica como una tcnica sismorresistente, y numerosos dispositivos de aislacinestn comercialmente disponibles para su implementacin en la prctica.Consecuentemente, se ha desarrollado una creciente necesidad de suplementar los cdigosssmicos actualmente vigentes con requerimientos especficos para estructuras aisladas.Esta necesidad es compartida por los organismos encargados de la construccin y elpblico en general, quienes requieren que esta tecnologa sea implementada adecuadamente,y por los ingenieros proyectistas, los que requieren un estndar mnimo para el diseo yconstruccin de estructuras con esta tecnologa.

Los primeros esfuerzos en la direccin de un cdigo para el diseo de estructuras aisladasssmicamente fue publicado por el SEAOC (Structural Engineering Association of California) el ao 1986 en el documento Tentative Seismic Isolation DesignRequirements. Reconociendo la necesidad de lograr un documento que represente unaopinin consensuada, el comit sismolgico del SEAOC primero desarroll losrequerimientos de diseo General Requirements for the Design and Construction of Seismic Isolated Structures que fueron publicados en el apndice 1L del "Blue Book" delSEAOC (Asociacin de Ingenieros Estructurales de California) en 1990. Estos mismosrequerimientos fueron publicados posteriormente como un apndice no obligatorio delCaptulo 23 del UBC en el ao 1991. El comit sismolgico del SEAOC y ICBO(International Conference of Building Officials) han revisado este documento

peridicamente desde entonces y versiones posteriores de estos requerimientos se puedenencontrar en el "Blue Book" del SEAOC del ao 1996, y en el cdigo UBC del ao 1997.Por otra parte, el Consejo de Seguridad Ssmica para Edificios encomend la incorporacinde requerimientos para el diseo de estructuras con aislacin ssmica y disipacin deenerga en los requerimientos de NEHRP (National Earthquake Hazard Reduction Program)del ao 1994. Estos requerimientos fueron modificados en la versin del ao 1997 en quelos tres documentos NEHRP/UBC/SEAOC fueron compatibilizados.


2/12

FILOSOFA DE LOS REQUERIMIENTOS DE DISEO PARA ESTRUCTURASAISLADAS

Es condicin esencial de una estructura aislada el que su desempeo objetivo no soloinvolucre la proteccin de la vida durante un sismo severo sino tambin la reduccin del

dao de la estructura y sus contenidos. De esta forma, los requerimientos de diseo que sepresentan en este documento son una combinacin de ambos objetivos: proteccin a la viday reduccin del dao.

Como punto de partida, estos requerimientos definen dos niveles ssmicos: un nivel ssmicode diseo (SDI) y un nivel ssmico mximo posible (SMP). El sismo de diseo coincidecon el nivel utilizado comnmente en el diseo de estructuras convencionales consistentecon una probabilidad de excedencia de 10% en 50 aos. Por otra parte, el sismo mximoposible corresponde al mximo nivel de movimiento del suelo que puede ocurrir dentro delmarco geolgico conocido y ha sido definido como el nivel que tiene una probabilidad deexcedencia de un 10% en un perodo de 100 aos.

Estos niveles de riesgo, que son consistentes con la tendencia mundial en los cdigos deaislacin ssmica, son distintos a los utilizados en la actual norma chilena NCh433 Of 96 loque ser reflejado a travs de un espectro de diseo que difiere del contenido en dichanorma. El nuevo espectro deber reflejar adems un nivel de seguridad superior para elsistema de aislacin debido a que su falla compromete necesariamente la estabilidadvertical de la estructura completa.

Para el diseo de estructuras aisladas se requiere que el sistema de aislacin sea capaz desostener sin falla las deformaciones y cargas correspondientes al SMP. Anlogamente,cualquier sistema que cruce la interfaz de aislacin debe ser diseado para acomodar eldesplazamiento correspondiente al SMP.

Estas recomendaciones buscan adems que la superestructura permanezca esencialmenteelstica durante el sismo de diseo, a diferencia de los requerimientos para estructuras conbase fija que buscan alcanzar solo un nivel de proteccin razonable para fallas estructuralesmayores y prdida de vidas, sin preocuparse en limitar el dao o mantener las funciones dela estructura. La filosofa actual sismorresistente establece que las fuerzas laterales dediseo sean, por ejemplo, un octavo de las fuerzas reales que ocurriran en el edificio sieste permaneciera elstico durante el sismo. La seguridad a la vida se provee entonces atravs de requerir que el sistema tenga una ductilidad adecuada para lograr esa reduccin, ypermanezca estable bajo la carga gravitacional sin dao masivo o falla paradesplazamientos que exceden con creces el lmite de fluencia del sistema. Sin embargo, enun evento mayor, dao a elementos estructurales, componentes no estructurales, ycontenidos, son muy probables en una estructura convencional.

Para una estructura convencional, su sobrevivencia para el SMP no se verificaexplcitamente, y se maneja implcitamente a travs de mayor ductilidad a conseguirmediante el apropiado detallamiento de los elementos. Por el contrario, en estructurasaisladas la verificacin del desempeo de la estructura para el SMP debe realizarse analticay experimentalmente. El criterio detrs de esta verificacin es proveer evidencia que en el


3/12

peor escenario ssmico posible, la estructura aislada es al menos tan segura como laestructura convencional. El diseo explcito del sistema de aislacin y el ensayo deaisladores para el SMP es necesario actualmente debido a que an no existe suficienteevidencia prctica como para permitir un criterio menos conservador. Es importante notarque los aisladores friccionales o elastomricos convencionales utilizados permiten alcanzar

sin mayor dificultad el nivel de diseo correspondiente al SMP.

Fig. 1 Primer Hospital Aislado en Sudamrica (Centro San Carlos, de la Universidad Catlica)

De acuerdo con los requerimientos indicados en esta proposicin, el diseo de unaestructura cumple con los siguientes objetivos de desempeo:

(1) Resistir sismos pequeos y moderados sin dao en elementos estructurales,componentes no estructurales, y contenidos del edificio.(2) Resistir sismos severos sin que exista: (a) falla del sistema de aislacin, (b) daosignificativo a los elementos estructurales, (c) dao masivo a elementos no estructurales, (d)interrupcin de la operabilidad de la estructura.

Para cumplir con estos objetivos, los requerimientos propuestos limitan la respuestainelstica de la superestructura a una fraccin menor de lo que se permite para edificiosconvencionales. Consecuentemente, el desplazamiento lateral de una estructura durante unsismo debe ocurrir en la interfaz de aislacin y no en la superestructura. En un edificioconvencional sin aislacin, la estructura vibra como consecuencia del movimiento del suelo


4/12

(Figura 3). Si esta vibracin excede un cierto nivel, se produce dao en la estructura y suscontenidos. Por el contrario, en el edificio aislado los aisladores acomodan la deformacinimpuesta por el sismo, reduciendo el movimiento que se traspasa hacia la estructura.

Los objetivos de desempeo establecidos arriba exceden considerablemente a aquellos de

estructuras convencionales en sismos moderados y severos. Es importante recalcar queincluso a travs de reforzar considerablemente las estructuras convencionales no es posiblealcanzar los objetivos de desempeo de una estructura aislada, debido a que el aumento deresistencia de la estructura convencional conlleva una rigidizacin estructural, lo queinduce que se desarrollen niveles de aceleracin que impiden controlar el dao encontenidos e instalaciones, y por ende, mantener la funcionalidad. Tal fue el caso delHospital Sylmar, durante el sismo de Northridge en el ao 1994, en que la estructura noexperiment dao, pero el contenido sufri tal deterioro que el hospital estuvo fuera deservicio por tres meses.

Fig. 2 Construccin del Edificio San Agustn de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Catlica

PROYECTOS DE EDIFICACIN CON AISLACIN SSMICA EN CHILE

A la fecha existen cuatro edificios con aislacin ssmica en Santiago, un bloque delconjunto habitacional Comunidad Andaluca, en la calle Lord Cochrane, diseado yconstruido entre los aos 1991 y 1992 dentro del marco de un estudio de la Universidad de


5/12

Chile, el centro mdico San Carlos de Apoquindo de la Universidad Catlica de Chileconstruido durante el ao 2000, y los edificios contiguos San Agustn (2002) y HernnBriones (2003) de la Escuela de Ingeniera en el Campus San Joaqun de la UniversidadCatlica.

El primero de ellos es un edificio de vivienda social estructurado en base a muros dehormign armado en su primer piso y de albailera confinada en los otros tres, con 240 m 2 distribuidos en 4 plantas y que cuenta con 6 aisladores elastomricos de altoamortiguamiento. El segundo, es un edificio de aproximadamente 8000 m 2 distribuidos enseis pisos, y estructurado en base a marcos dctiles de hormign armado. El edificio seencuentra aislado al nivel de cielo del subterrneo con 52 aisladores de altoamortiguamiento, 22 de los cuales cuentan con corazn de plomo. El tercero es un nuevoedificio de cinco pisos de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Catlica de Chile quecuenta con 42 aisladores elastomricos de alto amortiguamiento y 14 aisladores friccionales.El edificio, de una planta de 6000 m 2 aproximadamente, est estructurado en base a unsistema dual de muros de hormign armado y marcos gravitacionales. El sistema deaislacin se ubica en este caso directamente sobre las fundaciones. Por ltimo, el cuatro quees contiguo al tercero amplindolo en 1900 m 2, fue construido con posterioridad, con unaestructuracin similar. Los ltimos tres edificios fueron diseados en base al cdigo deaislacin ssmica UBC 1997 en zona ssmica mxima y verificados para una familia desismos chilenos. Los aisladores de todos estos edificios fueron fabricados en Chile por laempresa VULCO S.A.

Fig. 3 Comparacin de la Respuesta de un Edificio Sin Aislacin Basal y uno Con Aislacin Basal

EDIFICIO SIN AISLACION BASAL EDIFICIO CON AISLACION BASAL


6/12

Durante el ao 2004 comenz la construccin del Hospital Militar que contar con 162aisladores ssmicos elastomtricos, algunos de ellos con corazn de plomo. Este ser uno delos edificios aislados ms grandes del mundo y utilizar aisladores de dimetro 90 cm.

Los antecedentes mundiales muestran que con posterioridad a los terremotos de Northridge

y Kobe, el uso de la aislacin ssmica en el mundo ha crecido considerablemente. Porejemplo, las estadsticas en Japn muestran que el ao 1998 se construyeron ms de 700edificios con aislacin ssmica, entre los que se incluyen 35 hospitales, 18 edificiosgubernamentales y 304 edificios de viviendas.

Los sistemas de aislacin ms utilizados en el mundo actualmente son los aisladoreselastomricos de bajo amortiguamiento (LDR) y alto amortiguamiento (HDR), losaisladores elastomricos con corazn de plomo (LRB), el aislador de pndulo friccional(FPS), y los deslizadores tefln-acero (PTFE).

Fig. 4 Aislador del Edificio San Agustn

Cada proyecto tiene sus propios factores que motivan el uso de sistemas de aislacin yposee diferentes objetivos de desempeo. El primer paso esencial en el desarrollo delproyecto es definir el criterio de diseo en base a los objetivos del propietario en lo querespecta a la funcionalidad de la estructura, dao y proteccin de la inversin, preservacinhistrica de la estructura, riesgo a las personas, y economa en la construccin. Paraaquellos propietarios que desean una alta prioridad a la funcionalidad, proteccin de los


7/12

contenidos, e inversin, requieren un criterio de diseo ms estricto que aquellos quebuscan un nivel de desempeo de proteccin a la vida nicamente. En cualquier caso, es elpropietario el que debe estar consciente del nivel de riesgo que se desea asumir en el diseo.

PREGUNTAS FRECUENTES SOBRE AISLACIN SSMICA

1. Qu se entiende por aislacin ssmica?

Aislacin ssmica es una tcnica de diseo sismorresistente que busca reducir laenerga que entra a una estructura durante un sismo a travs de colocar dispositivos muyflexibles horizontalmente (aisladores) entre las fundaciones de un edificio o puente, y laestructura arriba de ellos. El efecto que se busca es que el suelo se mueva y la estructurapermanezca esencialmente quieta.

2. Cul es el objetivo de la aislamiento ssmica?

Los objetivos principales son dos: (a) mayor seguridad ssmica de la estructura (y porende de las personas) a travs de la minimizacin o incluso eliminacin de daos en ella, y(b) salvaguardar los contenidos de la estructura manteniendo el funcionamiento de elladespus del sismo.

3. Cunto ms segura es una estructura aislada ssmicamente?

En general una estructura aislada es al menos 5 veces ms segura que una estructuraconvencional fija al suelo. De hecho, los esfuerzos producidos por el sismo en la estructuracon aislacin ssmica son del orden de 10 veces ms pequeos que los de una estructuraanloga fija al suelo. Esta reduccin de esfuerzos es la que implica que la estructurapermanecer sin dao incluso durante un sismo de grandes proporciones.

4. En qu se diferencia esta nueva tcnica del diseo actual de estructurasantissmicas?

El concepto de estructura antissmica no es correcto porque cualquier edificio en Chile(y cualquier otro pas ssmico) est diseado por razones de costo para que sufra dao anteun sismo severo. La filosofa de diseo dice que no debe colapsar, pero puede quedarseriamente daado. Para comprobar que los daos son extensos, y que adems la seguridadno queda en realidad garantizada, basta observar lo ocurrido con los edificios de LosAngeles (Northridge, 1994), Japn (Kobe 1995), Turqua (1999), Grecia (1999), y Taiwn

(1999). Un edificio convencional no compite en seguridad con uno aislado, y mucho menosen costo de siniestralidad.

5. Existen edificios aislados de importancia en Chile ?

Hay ya tres edificios mayores con aislacin ssmica y uno en etapa de proyecto. Elprimero es el Centro Mdico de la Universidad Catlica en Camino del Alba con SanCarlos de Apoquindo (8000 m 2). El segundo el Edificio San Agustn de la Escuela de


8/12


9/12

7. Dnde se fabrican los dispositivos de aislacin?

Existen numerosos proveedores de aisladores ssmicos en el mundo entre los que seencuentran Bridgestone (Japn), Andr (Inglaterra), Skellerup-Oiles (Nueva Zelandia), DIS(Estados Unidos), y VULCO (Chile).

8. Cul es el costo del sistema de aislamiento ssmica?

El costo del sistema de aislamiento es tpicamente del orden de 0.5 a 1.0 UF/m 2,dependiendo de la solucin adoptada. Este costo se compensa varias veces si en el anlisiseconmico se considera que en la alternativa sin aislacin la estructura, los elementos noestructurales (las terminaciones), y los contenidos, afrontarn elevados costos de reparacino sustitucin cuando ocurra sismo de gran intensidad que con casi certeza van aexperimentar. Es importante recordar que en los edificios el costo las terminaciones superaal de la estructura, y que en muchos casos el valor de los contenidos es muy superior al dela estructura. Por otra parte, el hecho que la estructura tenga esfuerzos 10 veces menorespuede llegar a permitir ahorro en costos directos de construccin; lograrlo depende en granmedida de una coordinacin oportuna entre la Arquitectura e Ingeniera del proyecto.

9. Qu ocurre con los ductos de instalaciones que cruzan el nivel de aislacin?

Existen numerosas soluciones de conexiones flexibles (muy sencillas y baratas talescomo un doble codo) que permiten acomodar las deformaciones entre el suelo y el edificio.Soluciones de este tipo han sido implementadas en el Centro Mdico San Carlos de laUniversidad Catlica y en los edificios San Agustn y Hernn Briones de la Escuela deIngeniera, en el Campus San Joaqun.

10. Cul es la duracin de los sistemas de aislacin?

Los aisladores estn garantizados por una vida til de 50 aos mnimo. El diseo sehace proveyendo a los aisladores de una fijacin que les permite ser fcilmente removidos ycambiados en cualquier momento sin interrumpir el funcionamiento del edificio.

11. Cmo se verifica la calidad de los aisladores?

Los aisladores son ensayados en forma dinmica uno a uno antes de ser colocados enel edificio. Estos ensayos son extraordinariamente exigentes y permiten garantizar laspropiedades de rigidez y amortiguamiento de los aisladores.

BREVE RESUMEN HISTRICO DE LA AISLACIN SSMICA EN EL MUNDO

Era moderna comienza en Nueva Zelanda en 1970 Primera aplicacin en Japn es de 1982 (casa pequea) Primera aplicacin en EEUU es de 1985 (San Bernardino) Antes de 1995 existan 85 edificios aislados en Japn, 35 de los cuales eran de

propiedad de constructoras, centros de investigacin, o de fabricantes de aisladores


10/12

Durante Kobe (1995), dos estructuras aisladas soportaron el movimiento ssmico sinproblemas (Matsumura-Gumi, WJPSCC)

Durante Northridge (1994), cinco estructuras fueron sometidas a movimientossignificativos (p.e., USC, FCC)

Primer edificio en Chile es en 1992 (Comunidad Andaluca)

Posteriormente al terremoto de Kobe, el crecimiento de la aislacin ssmica enJapn es abrupto; 20 edificios por mes Aproximadamente 600 edificios aislados en Japn para 1998 Aproximadamente 40 edificios aislados en EEUU para 1998 Promedio de altura de edificios aislados antes de 1995 era entre 4 y 5 pisos;

actualmente es en promedio mayor a 8 pisos Primer hospital aislado ssmicamente en Chile, ao 2000 Nuevo Edificio de la Facultad de Ingeniera de la UC, ao 2001 Hospital Militar 2002 Curso optativo en los currculum de Ingeniera de varias universidades en Chile,

desde 1995

DISIPACIN DE ENERGA

Todas las estructuras vibrantes disipan energa producto de esfuerzos internos, rozamiento,rotura, deformaciones plsticas, etc. Mientras mayor es la capacidad de disipacin deenerga, menor ser la amplitud de las vibraciones. Algunas estructuras tienen muy pocoamortiguamiento, por lo que experimentan grandes amplitudes de vibracin incluso parasismos moderados. Los mtodos que incrementan la capacidad de disipacin de energa sonmuy efectivos para reducir la amplitud de la vibracin.

Los sistemas pasivos de disipacin de energa abarcan distintos de materiales y dispositivosque mejoran el amortiguamiento, rigidez y resistencia de una estructura. Estos pueden serusados tanto para la reduccin de amenazas naturales, como para la rehabilitacin deestructuras daadas o con estructuras deficientes. En los ltimos aos, se han emprendidoserios esfuerzos para convertir el concepto de disipacin de energa, o amortiguamientoadicional, en una tecnologa factible y un nmero considerable de estos dispositivos hansido instalados en estructuras a lo largo de todo el mundo. En general, todos se caracterizanpor su capacidad de mejorar la disipacin de energa de los sistemas estructurales en loscuales se instalan. Esto puede ser alcanzado ya sea por la conversin de energa cintica encalor, o por la transferencia de energa entre modos de vibracin. El primer mtodo incluyedispositivos que operan en base a principios tales como la friccin, fluencia de metales,transformaciones de fase en metales, deformaciones de slidos viscoelsticos o fluidos. Elsegundo mtodo incluye la incorporacin de osciladores adicionales, los cuales actancomo absorbedores de vibraciones dinmicas.

ESTRUCTURAS INTELIGENTES

Una de las ms significativas innovaciones tecnolgicas en el campo de la ingenieraestructural ha sido, sin duda, el desarrollo de las llamadas estructuras inteligentes ( EI).


11/12

Aunque a simple vista son similares a la estructuras convencionales, las EI estn dotadas deun sistema computacional que se encarga simultneamente de monitorear los movimientosdel edificio a travs de un sistema de sensores, y de accionar, si es necesario, uno o variosdispositivos electro-mecnicos con el propsito de reducir tales movimientos al mnimoposible. La Figura 6 ilustra esquemticamente este concepto.

Fig. 6 Esquema de una Estructura Inteligente

La inteligencia del sistema radica, en primer lugar, en la ubicacin estratgica de losdispositivos, y en segundo lugar, en conocer cul es la intensidad de las fuerzas que stosentregan a la estructura, como tambin el instante en que dichas fuerzas deben aplicarse, demodo de contrarrestar las fuerzas debidas al sismo.

Existe hoy en da una gran variedad de EI, cuya eficacia ha sido probada por numerosasinvestigaciones en todo el mundo. La gran mayora de ellas se encuentran en Japn, dondeexiste un incentivo especial para que las empresas inviertan en el desarrollo de nuevas

tecnologas. La Figura 7, muestra el amortiguador activo denominado HIDAX,recientemente desarrollado por la compaa japonesa Kajima Corporation, lder mundial enesta fascinante tecnologa.

Es importante resaltar que si bien resulta poco atractivo actualmente usar los tipos mssofisticados de EI en Chile por razones de costo, no es menos cierto que algunos tipos muysimples pero muy eficientes de EI podran ser hoy desarrolladas a un costo muycompetitivo usando nuestra propia tecnologa y conocimientos.


12/12

Es muy probable que en un futuro prximo, y gracias al constante abaratamiento de latecnologa, muchos de los edificios importantes que se construyan en el mundo sean EI.Seguramente, el mayor costo de tal inteligencia estar en el conocimiento experto quesurge del trabajo mancomunado entre la investigacin cientfica y la industria, lo cualconstituye un gran desafo para la ingeniera y las universidades chilenas.

Fig. 7 El Amortiguador HIDAX y Esquema de Instalacin en un Piso de un Marco Estructural

la aislacion sismica

Documents