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SEMINARIO “DISEÑO DE SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA EN EDIFICIOS”

HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICAPasado – Presente - Futuro

Carl Lüders Sch.PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE

Departamento de Ingeniería Estructural y GeotécnicaSirve S.A.

Santiago, 26 de Marzo de 2013

SEMINARIO AICE–ACHISINA: “DISEÑO DE SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA EN EDIFICIOS 26-03-2013

1. INTRODUCCIÓN

2. SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA

3. CASOS EMBLEMÁTICOS

4. DESAFÍOS A FUTURO

5. PRIMEROS CÓDIGOS EN USA Y CHILE

6. REFERENCIAS CLÁSICAS

CONTENIDO:



INTRODUCCIÓN

HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 1. INTRODUCCIÓN


1. AISLACIÓN BASAL (BI) o AISLACIÓN SÍSMICA (SI)

2. DISIPACIÓN DE ENERGÍA (D)

SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA

HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 2. SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA


Definición de algunos términos:

1. PASIVOS (Aislación Sísmica, Amortiguamiento basal y de entrepiso, Masas Sintonizadas).

2. ACTIVOS (Estructuras inteligentes).

3. SEMI-ACTIVOS (Amortiguamiento basal y de entrepiso).

SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA



- DESACOPLAR (HORZONTALMENTE) LAESTRUCTURA DEL SUELO.

- DISPONER DE UN MECANISMO DE RESTITUCIÓN(Para devolver la estructura a su posición original).

- DISPONER DE AMORTIGUAMIENTO(Para controlar los desplazamientos).

FUNDAMENTOS DE LA AISLACIÓN SÍSMICA



- Reducir la cantidad de energía que pasa del suelo a la estructura.

- Debido a que el daño estructural se puede relacionar directamente con la energía que pasa a la estructura, se obtienen los siguientes beneficios de la aislación basal:

- Reducción del daño estructural- Protección del contenido- Continuidad operacional- Reducción del pánico de los ocupantes

OBJETIVOS DE LA AISLACIÓN SÍSMICA



SISTEMA BÁSICO DE AISLACIÓN



- Resorte: (i) Lineal proporcional al desplazamiento.(ii) No lineal función de x, v, etc.

- Amortiguamiento: (i)Viscoso (proporcional a v).(ii) Fricción (deslizante). (iii) Histerético (deformación plástica de metales).

COMPARACIÓN DE RESPUESTAS



BASE AISLADABASE FIJA



ESPECTROS DE RESPUESTA

Espectro de aceleraciones Espectro de desplazamientos

La aislación sísmica permite reducir las aceleraciones máximas en la estructura entre 4 y 8 veces con respecto a las máximas que se producen en la estructura de base fija.

AISLACIÓN SÍSMICA



Excelente comportamiento durante los sismos violentos en USA, Japón, China, Chile y Nueva Zelandia desde 1994 (Terremoto de Northridge, USA) hasta 2011 (Terremoto de Tohoku, Japón)

EDIFICIOS RESISTENTES NO AISLADOS

Problemas con el contenido: Ej.: El Conmutador Telefónico del área de Sylmar en California. Edificio con daño mínimo durante el sismo (6,5) de San Fernando 1971, pero destrucción total del equipo interno.

IMPORTANCIA DEL SUELO DE FUNDACIÓN



Aislación sísmica: Muy efectiva para estructuras rígidas en suelos firmes.Menos efectiva para estructuras flexibles en suelos blandos.

Suelo firmeSuelo blando

SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA



Doble placa sobre bolas esféricas ó rodillos



Edificio sobre rodillos en Japón

- Solución propuesta por Jules Touaillon en 1870. - Solamente se aplicó recientemente en Japón

Imágen: J. Rendón

Imágen: J. Rendón

PISO BLANDO



Hospital Olive View (después del terremoto de Sylmar (6.5) de 1971).

- La Idea nació en los años 50 una vez conocidos los espectrosde respuesta).

- Comportamiento fue en general muy malo.

Edificio de departamentos (después terremoto de Loma Prieta (6.9) de 1989).

Fotografía: Página Web Fotografía: Página Web



- Paramount Building 29 pisos, SanFrancisco (Englerkirk) 2002.- Hotel Virgo 4 pisos, Mendoza 2009 (M. Tornello)- Edificio demostrativo pisos, Espacio Riesco, Santiago (P.Bonelli)

VARIANTE DE PISO BLANDO (N. Priestley, S. Pampanin)

Figura: S. Pampanin

APOYOS ELASTOMÉRICOS



Perno de anclaje superior

Placa de anclaje superior

Láminas de goma

Láminas de acero

Eventual núcleode plomo

APOYOS ELASTOMÉRICOS (COMPORTAMIENTO)



CURVA P-DELTA

MÓDULO DE CORTE

AMORTIGUAMIENTOFigura: Lab. PUC

APOYOS ELASTOMÉRICOS (COMPORTAMIENTO)



CURVA P-DELTA

Figura: Lab. PUC

- Materia prima: Goma natural ó sintética (Neopren).

- Tipos: Bajo amortiguamiento (LDRB). Alto amortiguamiento (HDRB).Aislador con núcleo de plomo (LRB).

- 1969 Primera aplicación en escuela Pestalozzi de Skopje (gomasin láminas de acero).

- Años 70 Aplicaciones en puentes.

- Años 80 Aplicación en edificios.

- 1985 “USA Foothills Community Law and Justice Center” Primeredificio aislado en USA (apoyos de capas múltiples).

- Variantes: Con y sin núcleo de plomo.

APOYOS ELASTOMÉRICOS



- Principio: Lámina de Teflón que desliza sobre una placa deacero inoxidable pulida.

- Coeficiente de roce: sin lubricar 6 a 12%.lubricado hasta 1 a 2%

- Variante: Apoyo deslizante doble (reduce tamaño y excentricidad de la carga)

APOYO DESLIZANTE



Respuesta típica de un apoyo deslizante

APOYO DESLIZANTE



Figura: Lab. PUC

VARIANTE: Varias capas deslizantes con núcleo de goma para reducir velocidad de deslizamiento.

APOYO DESLIZANTE MÚLTIPLE



Ensayos mostraron que el dispositivo no funciona bien.

Fuerza de restitución es insuficiente.

PÉNDULO DE FRICCION (Creado en 1986)



Se utilizó por primera vez en el reacondicionamiento de un edificio de departamentos de 4 pisos dañado por el terremoto de Loma Prieta (1981).

Imágen: Sirve S.A.

PÉNDULO DE FRICCION DOBLE



Imágen: F. Sálvatore

- Para un mismo tamaño delplato cóncavo se duplica eldesplazamiento máximo que se puede lograr.

- La excentricidad de lafuerza de apoyo se reducea la mitad.

SISTEMA DE RESORTES (Gerb)



- El sistema requiere de amortiguamiento externo.

- Su rigidez vertical es 10 a 20 veces la horizontal.

- Práctico en casos que la altura de las rigidecescoincide con la altura del centro de gravedad.

Imágen: E. TornelloImágen: E. Tornello

SISTEMAS MIXTOS:



- Apoyo elastomérico + amortiguamiento viscoso o histerético.

- Apoyo deslizante friccional + apoyo elastomérico (u otro sistema de restitución y amortiguamiento).

- Sistema de rodamientos (incluye bielas) + apoyo elastomérico (u otro sistema de restitución y amortiguamiento).

- Sistemas tipo péndulo (C. Barros 1979)



SISTEMAS MIXTOS (EJEMPLOS)

Fotografía: Martelli, Forni Fotografía: Martelli, Forni

CASOS EMBLEMÁTICOS

HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 3. CASOS EMBLEMÁTICOS


2000 A.C. Palacio de Knossos (Grecia)



Fotografía: J. RendónImágen: J. Rendón

Imágen: J. Rendón

Fotografía: J. Rendón

528 A.C. La tumba de Cyro (Persia)(Una de las estructuras aisladas más antiguas delmundo).



Fotografía: Página Wikipedia

400 A.C. Ponticapéa-Panticapaeum (Grecia)



Imágen: J. RendónImágen: J. Rendón

300 A.C. Construcción en Chokrak (Ucrania)



Imágen: J. Rendón



1870 Jules Touaillon (Francia)

- Propone colocar cojinetes de bolas entre la base de la estructura y la fundación.

- Solamente se aplicó recientemente en Japón.

1890-1923 Hotel Imperial de Tokio (Japón)



(Solución propuesta por Frank Lloyd Wright)

(El terremoto de 1923 mostró eficacia del sistema)

Imágen J. Rendón

1909 Johannes Calantarients Avetican (Médico Inglés)



- Patentó sistema de juntas libres lubricadas.

- Consiste en colocar una capa de talco entre el edificio y las fundaciones.

- En 1909 escribe carta al Servicio Sismológico de Santiago de Chile en que menciona que con su sistema edificios importantes se pueden poner a salvo en países sísmicos.



1969 Escuela Pestalozzi (Skopje, Macedonia)(Primer edificio del mundo sobre apoyo de goma)


Imágen: J. Rendón




- Se usaron aisladores de goma propuestos por grupo de ingenieros Suizos.

- Patente: “Swiss Full Base Isolation 3D”

- Apoyos de goma de 70x70x20 sin refuerzo de acero.

- El sistema no fue satisfactorio.

- Sistema de apoyo fue modificado. Se instalaron restricciones adicionales.

1969 Escuela Pestalozzi (Skope, Macedonia)



Década del 70

- La “Malaysian Rubber Producer’s Research Association” de Inglaterra produjo los primeros apoyos elastoméricos armados por medio de la vulcanización de láminas de goma entre láminas de acero.

- Comienzos y mayores avances en estudios de aislamiento sísimico utilizando caucho a acero en Francia, Estados Unidos, Japón y Nueva Zelandia.

- Destacan: Gilles C. Delfosse, C. J Derham, James M. Kelly, R. Iván Skinner.

- Primeros usos en Centrales Nucleares. El uso en puentes es más rápido que en edificios.



1978 Liceo de Lambesc (Francia).(Primera estructura grande que utilizó aisladoressísmicos modernos.)

1979 Edificio de un interruptor eléctrico del CaliforniaWater Resources Department. (Primera aplicación de aisladores de base en California).



Década del 80

- Desarrollo de sistemas de aislación de fricción (1986).

- Uso en puentes es más rápido que en edificios.



1985 Foothill Community Law and Justice Center(California).(Primer edificio grande de California, y EEUU, en que seutilizaron aisladores de caucho. Fueron de altoamortiguamiento.

Fotografía: Página Web



1989 Reacondicionamiento de Edificio de departamentosde 4 pisos que se dañó en terremoto de Loma Prieta(San Francisco).(Primera vez que se usan Péndulos de Fricción creados en 1986).



- Primer edificio aislado en Chile (4 pisos de albañilería confinada).

- Diseñado por M.Sarrazin y Ofelia Moroni.

1992 Edificio Comunidad Andalucía (Santiago, Chile)

Fotografía: Luciano Marchant.





- Primer puente con aislación sísmica en Chile (aisladores elastoméricos).

- Sistema de aislación diseñado por M.Sarrazin y O. Moroni.

1996 Viaducto Marga Marga (5ª Región, Chile)

Fotografía: Luciano Marchant



1996 -1999 Proyecto Fondef D96I-1008 sobre “Desarrollo, Fabricación, Ensayo e Implementación deSistemas Innovativos para la Reducción de Vibraciones”.

- Liderado por J.C. de la Llera y C. Lüders.

- Participación de Vulco S.A.: Desarrollo de gomas de alto amortiguamiento, fabricación de aisladores y financiamiento.

- Creación y puesta en marcha del Laboratorio de “Ensayos Dinámicos y Control de Vibraciones” de la P.U.C.

- Se inicia y coordina el estudio de la norma chilena NCH 2745.Of2003 “Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica”.

- Se inicia el diseño del primer hospital con aislación sísmica en Chile (Clínica San Carlos de Apoquindo (2001).

Laboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de Vibraciones de la P.U.C.



Marco de Carga Dinámico

+/-100 ton (horz.)+/-20 cm/seg

+/-1,5 g700 ton (vert.)

Permite el ensayo de aisladores a escala natural sometidos a

solicitaciones sísmicas en tiempo real

Laboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de Vibraciones de la P.U.C.



Ensayo de un Aislador elastomérico en P.U.C.

2001 Clínica San Carlos de Apoquindo (Primer Hospitalcon aislación sísimica en Chile)



Los aisladores (con y sin núcleo de plomo) van en el cielo del subterráneo



2003 Norma NCh 2745.Of2003 “Análisis y diseño deedificios con aislación sísmica”



2005 Edifico Vulco 2005 (Primer edificio prefabricado aisladoque se construyó en Chile)

Fotografía Sirve S.A.

2009 Muelle de Coronel, VIII Región (Primer muelleaislado que se construyó en Chile).



Fotografía: Sirve S.A.


2009 Primera casa uni-familiar con aislación sísmicaen Chile (Chicureo, Santigo)



18 Bielas combinadas con 2 apoyos elastoméricos

2009 Casa uni-familiar (Chicureo, Santigo,Chile)



Detalle de las bielas Apoyo elastomérico

2012 Primer estanque aislado de GNL que se construyóen Chile, Mejillones.



Design of the Seismic Isolation System for GNL Mejillones gas storage tank



2012 Diseño de Aislación sísmica 3D paraTelescopio Europeo



Design of a 3D Seismic Isolation System for the E-ELT

(European – Extremely Large Telescope)

Imágen: Sirve S.A.

Imágen: Sirve S.A.

2002 Edificio Paramount (San Francisco, USA) 39 pisosHíbrido pretensado (Englerkirk)



Edificio aislado muy alto(Kansai, Japón) 42 pisos

Fotografía: E. Miranda

Fotografía: Martelli, Forni



Años 70 Rehabilitación de Estructuras Históricas conaislación sísmica




2002 Primeras viviendas sociales con aislación sísmica


SOLUCIONES INTERESANTES



Fotografía: Martelli, Forni

SOLUCIONES INTERESANTES



Residencia para residentes de L’Aquila que quedaron sin vivienda después del terremoto en Abruzzo, Italia (2009)

Figura: S. Pampanin


DESAFÍOS A FUTURO

HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 4. DESAFÍOS A FUTURO


HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 4. DESAFÍOS A FUTURO


- Proponer y desarrollar nuevos sistemas de aislación.

- Desarrollar sistemas de aislación para edificios en altura.

- Desarrollar amortiguadores activos y semiactivos y losprogramas de control correspondientes.

- Desarrollar soluciones mejores para los encuentros entre las zonas aisladas y no aisladas de los edificios.

- Monitorear las estructuras aisladas existentes.

- Promover el diseño y la construcción de estructuras con aislación sísmica.

PRINCIPALES DESAFÍOS Y TAREAS A FUTURO

PRIMEROS CÓDIGOS

EN USA Y CHILE

HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 5. PRIMEROS CÓDIGOS EN USA Y CHILE


HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 5. PRIMEROS CÓDIGOS EN USA Y CHILE


1986 Structural Engineers Association of California (SEAOC). “Tentative Seismic Isolation Design” San Francisco, CA. 1986.

1990 Structural Engineers Association of California (SEAOC). “Recommended Lateral Force Requirements and Commentary”, 5th ed, Sacramento, CA. 1990.

1991 International Conference of Building Code (ICBO, División III), ”Earthquake Regulations for Seismic Isolated Structures” UBC, 1991.

2003 NCh 2745. Of2003 “Análisis y diseño de edificios con aislaciónsísmica”, INN, Santiago, Chile 2003.

2007 Federal Emergency Management Agency (FEMA), Guias FEMA 273, FEMA 274, FEMA 356, FEMA 357, FEMA 450 yFEMA 451 para el uso de aisladores sísmicas en edificiosnuevos y rehabilitaciones.

REFERENCIAS

CLÁSICAS

HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 6. REFERENCIAS CLÁSICAS


HISTORIA DE LA AISLACIÓN SÍSMICA 6. REFERENCIAS CLÁSICAS


- Skinner R.I. et al (1993) “An Introduction to Seismic Isolation”, 1ª edición, Chichester, Nueva York, John Wiley and Sons.

- Naeim F. Kelly J. (1999) “Design of Seismic Isolated Structures: from Theory to Practice”, 1ª edición, Nueva York, John Wiley and Sons.

SEMINARIO “DISEÑO DE SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA EN EDIFICIOS”


Santiago, 26 de Marzo de 2013

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