UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA
INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO...
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DEDICATORIA
A mi querida esposa Paolita Ximena, con quien compartimos momentos
inolvidables, con quien nos planteamos u...
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AGRADECIMIENTOS
A Dios, por brindarme su bendición día a día, por ayudarme a levantarme si
alguna vez caí y darme la f...
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AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, GUAYGUA QUILLUPANGUI BYRON ARMANDO, en calidad de autor del
trabajo de inves...
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CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue realizado en su totalidad por el ING. BYRON
ARMANDO GUAYGUA QUILLUPA...
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CONTENIDO
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DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
AUTORIZACIÓN
CERTIFICACIÓN
CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
RESUME...
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CAPÍTULO 2 RESEÑA HISTÓRICA DE LOS AISLADORES
ELASTOMÉRICOS
2.1 PRIMERA ESTRUCTURA CON AISLACIÓN SÍSMICA EN
SUDAMÉRICA...
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CAPÍTULO 4 ANÁLISIS SÍSMICO
4.1 ELEMENTO AISLADOR………………………………………………..
4.1.1 Punto de vista cinemático…………………………………………...
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6.2 ESTRUCTURA DE 3 PISOS…………………………………………….
6.2.1 Pre-dimensionamiento del aislador elastomérico……………………….
6.2.2 Anális...
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LISTA DE FIGURAS
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Figura 2.1 Edificios comunidad de Andalucía Chile………………………..
Figura 2.2 Aisladores elastoméricos ut...
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Figura 2.22 Aislador 3D instalado en el Edificio Unasur…………………...
Figura 2.23 Comportamiento de estructuras con aislaci...
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Figura 5.2 Área reducida de una goma en un aislador elastomérico………...
Figura 5.3 Esfuerzos que gravitan en la placa d...
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Figura 6.20 Numeración de nudos y elementos para utilizar Cenci-Lab……
Figura 6.21 grados de libertad estructura espac...
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Figura 7.10 Diagrama de histéresis energía elástica e inelástica……………. 188
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LISTA DE TABLAS
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Tabla 2.1 Dimensiones del aislador y placas de montaje……………………
Tabla 2.2 Propiedades, desplazamient...
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Tabla 6.3 Calculo peso propio de la losa…………………………………….
Tabla 6.4 Factores de mayoración…………………………………………...
Tabla 6.5 ...
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Tabla 6.24 Calculo peso propio de la losa…………………………………...
Tabla 6.25 Carga muerta subsuelos………………………………………….
Tabla 6....
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Tabla 6.44 Combinación para el estado de cargas verticales más sismo
MCE sentido de análisis Y………………………………………
Tabla ...
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RESUMEN
ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y ANALÍTICO DE AISLADORES
ELASTOMÉRICOS
Se presenta el marco teórico y un estudio detall...
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ABSTRACT
EXPERIMENTAL AND ANALYTIC ANALYSIS FOR
ELASTOMERIC ISOLATORS
This study presented the literature review, and a...
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CERTIFICADO
Yo, CARLOS OMAR QUILLUPANGUI QUILLUPANGUI, con cédula de
ciudadanía 1715500342, certifico el haber realiza...
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CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
1.1 INTRODUCCIÓN
La implementación del aislamiento de base como medida de protección ante la
ac...
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1.3 POSICIÓN DEL PROBLEMA
El aislamiento basal ha ido tomando mayor importancia y confianza, debido a
los buenos resulta...
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utilizar materiales y procesos constructivos que permitan asegurar un buen
comportamiento y calidad de las edificaciones...
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esperaría daños muy severos en las estructuras lo que está directamente ligado a la
seguridad de la población.
1.8 METOD...
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1.9 RECURSOS
Disponibilidad de amplia información a nivel internacional de experiencias
conseguidas en el análisis, dise...
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CAPÍTULO 2
RESEÑA HISTÓRICA DE LOS AISLADORES
ELASTOMÉRICOS
2.1 PRIMERA ESTRUCTURA CON AISLACIÓN SÍSMICA EN
SUDAMÉRICA
E...
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sísmica se comportaron de excelente forma, lo que estimuló la masificación de este
tipo de tecnología.
La experiencia in...
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6 metros y 13.4 m de altura. El aislador utilizado tiene 31.5 cm de diámetro y 32 cm
de altura, está compuesto por 34 ca...
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 Los ensayos de micro vibraciones dan un periodo propio de vibrar
del edificio no aislado de 0.11 segundos, en cambio e...
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el puente Amolanas, el Nuevo Hospital Militar La Reina, el edificio Parque
Araucano, la Clínica UC San Carlos de Apoqui...
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Figura 2.2 Aisladores elastoméricos utilizados en los edificios del conjunto
comunidad de Andalucía Chile
2.2 DIFERENTE...
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Rubber Bearing), y los apoyos de goma con núcleo de plomo (LRB, Lead-plug
Rubber Bearing).
Figura 2.3 Aisladores elasto...
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2.2.2 Aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDRB)
Los HDRB son aisladores elastoméricos cuyas láminas de el...
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2.3 ESTRUCTURAS CON AISLACIÓN SÍSMICA EN CHILE
El 27 de febrero de 2010, Chile vivió uno de los mayores eventos sísmico...
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láminas de acero de 2mm de espesor. Este es un proyecto experimental del
Ministerio de la Vivienda y la Universidad de ...
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Chile, alcanzando los 100,60 metros. Construido en una estructura, mixta de
acero y hormigón armado, representa un hito...
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Figura 2.9 Aisladores elastoméricos utilizados en la Clínica San Carlos de
Apoquindo
 Hospital Militar la Reina (2007)...
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Figura 2.11 Aisladores elastoméricos Hospital Militar La Reina.
 Muelle para contenedores del puerto de Coronel (2009)...
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Figura 2.12 Aisladores elastoméricos Puerto Coronel
2.3.2 Algunas estructuras con protección sísmica después del terrem...
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Figura 2.13 Edificio Torre Sol
 Sede central ONEMI-ANPC (2013): Es un edificio de aproximadamente
8000m², el cual hará...
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Figura 2.14 Edificio Sede Central ONEMI
 Villa 26 de septiembre (2013): El terremoto del 27 de febrero del 2010 dejo
p...
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aceleraciones y fuerzas actuantes se reduzcan hasta un 80% dando seguridad a
sus habitantes.
Figura 2.15 Edificios Vill...
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por objetivo mantener el control de todos sus procesos de manera virtuosa,
pudiendo con ello hacer frente a situaciones...
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Figura 2.16 Edificios CIO Codelco
2.3.3 Estructuras con protección sísmica en Ecuador
Como se ha detallado anteriorment...
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tres tramos, tramo acceso Bahía (120.30m sin aislación) , tramo acceso San
Vicente (153.95m sin aislación), y tramo Cen...
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aisladores sísmicos tipo FPS (aislador sísmico tipo péndulo de triple fricción),
conformados por dos estribos y pilas c...
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Figura 2.19 Puentes sobre el estuario del rio Esmeraldas, puente sur y
aisladores FPS utilizados
 Puente sobre el Rio ...
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alturas de las pilas son de 65m, el tablero se conforma de una viga tipo cajón
con sección transversal variable desde 1...
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por las actividades generales de uso, y disminuir la demanda sísmica en los
elementos de la estructura en celosía que s...
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Figura 2.22 Aislador 3D instalado en el Edificio de la Unasur
2.4 AISLADORES ELASTOMÉRICOS CON NÚCLEO DE PLOMO
La neces...
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Figura 2.23 Comportamiento de dos estructuras la una sin aislación sísmica y
la otra con aislación sísmica ante la acci...
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permitan reducir considerablemente los daños en los elementos estructurales y no
estructurales.
El dispositivo más util...
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Figura 2.24 Dimensiones de un aislador con núcleo de plomo
Figura 2.25 Aislador elastoméricos con núcleo de plomo de se...
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Figura 2.26 Aislador elastoméricos con núcleo de plomo de sección cuadrada
Las tablas que se presentan a continuación t...
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Tabla reproducida de Dynamic Isolation Systems
Tabla 2.2 Propiedades, desplazamiento y carga axial en función del diáme...
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Figura 2.27 Identificación de la nomenclatura utilizada en las tablas 2.1 y 2.2
Las tablas presentadas fueron reproduci...
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CAPÍTULO 3
CRITERIOS DE DISEÑO Y DIAGRAMA DE HISTÉRESIS
3.1 SISMOS DE ANÁLISIS
La amenaza sísmica incluye efectos direc...
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construir y mantener edificaciones que sean capaces de exhibir un desempeño
predecible, cuando son afectadas por sismos...
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Tabla 3.1 Estados de daño y niveles de desempeño. (SEAOC 1995)
Estado de
daño
Nivel de
desempeño
Características princi...
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Tabla 3.2 Estados de daño y niveles de desempeño estructura. ATC-40
Denominación
Nivel de
desempeño
Características pri...
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Tabla 3.3 Estados de daño y niveles de desempeño elementos no estructura. ATC-40
Denominación
Nivel de
desempeño
Caract...
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Tabla 3.4 Niveles de desempeño de la edificación. ATC-40 (1996)
SP-1
Inmediata
ocupación
SP-2
Daño
controlado
(rango)
S...
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Tabla 3.5 Niveles de desempeño de la edificación para elementos estructurales y no
estructurales. ATC-40
Denominación
N...
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 Nivel de servicio (sismo menor): sismo de servicio, periodo de retorno
72 años, se espera que no ocurra ningún daño t...
45
El desempeño esperado está íntimamente ligado a la definición de los niveles
de amenaza sísmica, los cuales pueden ser ...
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Tabla 3.7 Niveles de movimiento sísmico SEAOC. 1995
Nivel del movimiento
sísmico
Periodo medio de
retorno T (años)
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PROPUESTA ATC-40
Se definen tres niveles de amenaza correspondiente a movimientos sísmicos
identificados como:
Sismo de...
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Tabla 3.9 Niveles de movimiento sísmico. ATC-40
Nivel de
amenaza
Sismo
Probabilidad
de excedencia
en 50 años
Periodo de...
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esperado compatibles con los niveles de respuesta deseados, que se esperan que estas
instalaciones alcancen ante movimi...
50
Actualmente se dispone de metodologías que permiten lograr que una
edificación se diseñe y construya de forma que cumpl...
51
En la Figura 3.1 se presentan los resultados de ensayar varios tipos de goma
(caucho) para diferentes deformaciones en ...
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de los aisladores. Comúnmente los valores del límite inferior describen el
comportamiento de los aisladores sin envejec...
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indicado en la Figura 3.2 (b) el análisis sísmico se lo realiza de la forma tradicional,
esto es trabajando con coorden...
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3.4 MODELO CONSTITUTIVO
Los modelos matemáticos utilizados para la representación de la relación que
hay en un sistema ...
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Figura 3.3 Modelos degradantes y no degradantes
a) Elastoplástico perfecto b) Bilineal
El modelo que ha sido más acepta...
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3.4.1 Parámetros que definen un modelo bilineal de un aislador sísmico
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  1. 1. UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO (I.I.P.) ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y ANALÍTICO DE AISLADORES ELASTOMÉRICOS ING. BYRON ARMANDO GUAYGUA QUILLUPANGUI TUTOR: DR. ROBERTO RODRIGO AGUIAR FALCONÍ Trabajo presentado como requisito parcial para la obtención del grado de: MAGISTER EN ESTRUCTURAS Y CIENCIAS DE LOS MATERIALES Quito - Ecuador 2015
  2. 2. ii DEDICATORIA A mi querida esposa Paolita Ximena, con quien compartimos momentos inolvidables, con quien nos planteamos un objetivo y lo estamos cumpliendo; ella es la única persona que conoce y ha vivido el real esfuerzo realizado, mi fuente de inspiración, mi cariño y respeto por siempre. A mis queridos padres María Susana y José Pástor, cuyo ejemplo de vida espero verlo reflejado en la mía, y quienes me enseñaron a luchar incansablemente por conseguir mis sueños. A mis hermanos siempre luchadores, lo importante es perseverar para conseguir nuestras metas. Byron Armando Guaygua
  3. 3. iii AGRADECIMIENTOS A Dios, por brindarme su bendición día a día, por ayudarme a levantarme si alguna vez caí y darme la fuerza necesaria para seguir adelante, y porque tengo la plena seguridad que él me trajo hasta aquí. A la querida Universidad Central del Ecuador, Instituto de Investigacion y Posgrado, a todos los profesores que supieron ofrecer sus conocimientos y que contribuyeron a mi formación. Al personal del Laboratorio de Ensayo de Materiales y Modelos de la Universidad Central del Ecuador, quienes estuvieron prestos en todo momento y me ofrecieron todos sus conocimientos y experiencia en el desarrollo experimental de esta investigación. A la Universidad de la Fuerzas Armadas ESPE por su contribución al país, siendo una de las pioneras en el desarrollo de investigaciones relacionadas con aislación sísmica, y que sin duda fue el punto de partida en el desarrollo de esta investigación. Al Dr. Roberto Aguiar Falconí, por la dedicación, paciencia y apoyo incondicional brindados, por guiarme en el desarrollo del presente trabajo, y por enseñarme que para buscar la excelencia únicamente sirve el conocimiento. Byron Armando Guaygua
  4. 4. iv AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL Yo, GUAYGUA QUILLUPANGUI BYRON ARMANDO, en calidad de autor del trabajo de investigación o tesis realizada sobre el ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y ANALÍTICO DE AISLADORES ELASTOMÉRICOS, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento. Quito, marzo de 2015 ____________________________________________ BYRON ARMANDO GUAYGUA QUILLUPANGUI C.C. 1715639173
  5. 5. v CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue realizado en su totalidad por el ING. BYRON ARMANDO GUAYGUA QUILLUPANGUI como requisito parcial a la obtención del título de MAGISTER EN ESTRUCTURAS Y CIENCIAS DE LOS MATERIALES. Quito, marzo del 2015 __________________________________________ DR. ROBERTO RODRIGO AGUIAR FALCONÍ
  6. 6. vi CONTENIDO pág. DEDICATORIA AGRADECIMIENTOS AUTORIZACIÓN CERTIFICACIÓN CONTENIDO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABLAS RESUMEN ABSTRACT CERTIFICADO ii iii iv v vi x xv xix xx xxi CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN……………………………………………………….. 1 1.2 JUSTIFICACIÓN……………………………………………………........ 1 1.3 POSICIÓN DE PROBLEMA……………………………………………. 1.4 OBJETIVO GENERAL………………………………………………….. 1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………….......... 1.6 HIPÓTESIS………………………………………………………………. 1.7 IMPACTO……………………………………………………………....... 1.8 METODOLOGÍA……………………………………………………....... 1.9 RECURSOS……………………………………………………………… 2 3 3 3 3 4 5
  7. 7. vii CAPÍTULO 2 RESEÑA HISTÓRICA DE LOS AISLADORES ELASTOMÉRICOS 2.1 PRIMERA ESTRUCTURA CON AISLACIÓN SÍSMICA EN SUDAMÉRICA………………………………………………………….. 2.2 DIFERENTES FORMAS DE AISLADORES ELASTOMÉRICOS……. 2.2.1 Aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento (LDRB)…………... 2.2.2 Aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDRB)…………... 2.2.3 Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo (LRB)………………… 2.3 ESTRUCTURAS CON AISLACIÓN SÍSMICA EN CHILE…………… 2.3.1 Algunas estructuras con protección sísmica antes del terremoto del 2010 en Chile…………………………………………………………... 2.3.2 Algunas estructuras con protección sísmica después del terremoto del 2010 en Chile…………………………………………………………... 2.3.3 Estructuras con protección sísmica en Ecuador………………………... 2.4 AISLADORES ELASTOMÉRICOS CON NÚCLEO DE PLOMO…….. CAPÍTULO 3 CRITERIOS DE DISEÑO Y DIAGRAMA DE HISTÉRESIS 3.1 SISMO DE ANÁLISIS…………………………………………………... 3.1.1 Diseño basado en desempeño sísmico………………………………….. 3.1.1.1 Nivel de desempeño………………………………………………….. 3.1.1.2 Desempeño esperado en la edificación………………………………. 3.1.1.3 Consideraciones para edificaciones esenciales………………………. 3.2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES………………………………. 3.3 ECUACIÓN DIFERENCIAL DEL MOVIMIENTO……………………. 3.4 MODELO CONSTITUTIVO……………………………………………. 3.4.1 Parámetros que definen un modelo bilineal de un aislador sísmico……. 6 11 12 13 13 14 14 19 24 30 37 37 38 44 48 50 52 54 56
  8. 8. viii CAPÍTULO 4 ANÁLISIS SÍSMICO 4.1 ELEMENTO AISLADOR……………………………………………….. 4.1.1 Punto de vista cinemático………………………………………………. 4.1.2 Punto de vista geométrico……………………………………………… 4.2 MATRIZ DE RIGIDEZ LATERAL……………………………………... 4.2.1 Condensación de la matriz de rigidez KT……………………………… 4.3 MATRIZ DE RIGIDEZ ESPACIAL…………………………………….. 4.4 ESPECTROS REDUCIDOS……………………………………………... 4.4.1 Sistema de aislación……………………………………………………. 4.4.2 Superestructura…………………………………………………………. 4.5 MÉTODO DE SUPERPOSICIÓN MODAL…………………………….. 4.5.1 Desplazamientos máximos……………………………………………... 4.5.2 Fuerzas máximas modales……………………………………………… 4.5.3 Criterio de combinación modal norma técnica de Perú 2003………….. 4.5.4 Criterio de combinación modal cuadrática completa C.Q.C…………… CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL AISLADOR ELASTOMÉRICO 5.1 CONTROL DEL ESPESOR DE LA GOMA……………………………. 5.2 CONTROL DEL ESPESOR DE LA PLACA SHIM……………………. 5.3 CONTROL DEL PANDEO……………………………………………… 5.4 DISEÑO DE LAS PLACAS EXTERIORES…………………………….. CAPÍTULO 6 APLICACIÓN: ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES CON AISLADORES ELASTOMÉRICOS 6.1 ESTRUCTURAS DE ANÁLISIS………………………………………... 59 60 62 63 66 68 73 75 77 79 83 85 86 86 88 93 95 97 99
  9. 9. ix 6.2 ESTRUCTURA DE 3 PISOS……………………………………………. 6.2.1 Pre-dimensionamiento del aislador elastomérico………………………. 6.2.2 Análisis estático………………………………………………………… 6.2.3 Análisis dinámico………………………………………………………. 6.2.4 Diseño del aislador elastomérico……………………………………….. 6.3 ESTRUCTURA DE 12 PISOS…………………………………………... 6.3.1 Pre-dimensionamiento del aislador elastomérico………………………. 6.3.2 Análisis estático………………………………………………………… 6.3.3 Análisis dinámico………………………………………………………. 6.3.4 Diseño del aislador elastomérico……………………………………….. CAPÍTULO 7 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN PROTOTIPO DE AISLADOR ELASTOMÉRICO 7.1 DESCRIPCIÓN DEL AISLADOR Y PROCESO CONSTRUCTIVO….. 7.2 ENSAYOS PARA DIFERENTES VALORES DE DEFORMACIÓN Y DIFERENTES FRECUENCIAS…………………………………………. 7.3 RESULTADOS…………………………………………………………... 7.4 FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO Y RIGIDEZ……………………. CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 8.1 CONCLUSIONES……………………………………………………….. 8.2 RECOMENDACIONES…………………………………………………. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………… BIOGRAFÍA………………………………………………………………... 100 103 107 109 114 120 124 129 134 147 163 166 179 188 191 193 195 197
  10. 10. x LISTA DE FIGURAS pág Figura 2.1 Edificios comunidad de Andalucía Chile……………………….. Figura 2.2 Aisladores elastoméricos utilizados en comunidad Andalucía….. Figura 2.3 Aisladores elastoméricos de sección cuadrada………………….. Figura 2.4 Aislador elastomérico de bajo amortiguamiento LDRB………… Figura 2.5 Aislador elastomérico con núcleo de plomo LRB………………. Figura 2.6 Puente Marga Marga…………………………………………….. Figura 2.7 Puente Amolanas………………………………………………... Figura 2.8 Clínica San Carlos de Apoquindo……………………………….. Figura 2.9 Aisladores elastomérico Clínica San Carlos de Apoquindo…….. Figura 2.10 Pórtico representativo Hospital Militar La Reina……………… Figura 2.11 Aisladores elastoméricos Hospital Militar La Reina…………... Figura 2.12 Aisladores elastoméricos Puerto Coronel……………………… Figura 2.13 Aisladores elastoméricos edificio Torre Sol…………………… Figura 2.14 Edificio sede central ONEMI…………………………………... Figura 2.15 Edificio Villa 26 de septiembre………………………………... Figura 2.16 Edificios CIO Codelco…………………………………………. Figura 2.17 Aisladores sísmicos Puente los Caras………………………….. Figura 2.18 Puentes sobre el estuario del rio Esmeraldas…………………... Figura 2.19 Puentes sobre el estuario del rio Esmeraldas aisladores……….. Figura 2.20 Puente sobre el rio Chiche……………………………………... Figura 2.21 Sede Unasur Quito……………………………………………... 10 11 12 12 13 15 16 16 17 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29
  11. 11. xi Figura 2.22 Aislador 3D instalado en el Edificio Unasur…………………... Figura 2.23 Comportamiento de estructuras con aislación sísmica y sin aislación sísmica ante eventos sísmicos……………………….. Figura 2.24 Dimensiones de un aislador con núcleo de plomo……………... Figura 2.25 Aislador elastomérico con núcleo de plomo sección circular….. Figura 2.26 Aislador elastomérico con núcleo de plomo sección cuadrada… Figura 2.27 Identificación de la nomenclatura utilizada……………………. Figura 3.1 Resultados de ensayos para determinar el módulo de corte de la goma…………………………………………………………….. Figura 3.2 Estructuras con aisladores sísmicos modelados como elementos cortos sistema de dos grados de libertad……………………….... Figura 3.3 Modelos degradantes y no degradantes…………………………. Figura 3.4 Modelo bilineal de histéresis de un aislador sísmico……………. Figura 4.1 Coordenadas locales y globales de un elemento aislador……….. Figura 4.2 Distancias li y lj…………………………………………………. Figura 4.3 Calculo de desplazamientos en coordenadas locales……………. Figura 4.3 Numeración de nudos, elementos y grados de libertad………….. Figura 4.5 Coordenadas a y b de un pórtico con aisladores elastoméricos…. Figura 4.6 Coordenadas de la estructura……………………………………. Figura 4.7 Sistema de coordenadas…………………………………………. Figura 4.8 Distancias desde el centro de masas a cada uno de los pórticos… Figura 4.9 Espectro sísmico elástico de aceleraciones NEC-11…………….. Figura 4.10 Espectro elástico e inelástico reducido por B para el sistema de aislación y R para la superestructura………………………….... Figura 5.1 Cargas desplazamiento y giro actuando en un caucho parte del aislador………………………………………………………….. 30 31 33 33 34 36 51 52 55 55 59 60 61 64 66 68 70 72 73 79 89
  12. 12. xii Figura 5.2 Área reducida de una goma en un aislador elastomérico………... Figura 5.3 Esfuerzos que gravitan en la placa de acero intermedia del aislador………………………………………………………….. Figura 5.4 Método del área reducida………………………………………... Figura 6.1 Planta estructural edificio de análisis……………………………. Figura 6.2 Elevación………………………………………………………… Figura 6.3 Estructura de tres pisos con aisladores elastoméricos…………… Figura 6.4 Esquema ubicación aisladores elastoméricos en la edificación…. Figura 6.5 Diagrama de histéresis del aislador para cada caso……………... Figura 6.6 Grados de libertad pórtico plano parte de la estructura…………. Figura 6.7 Numeración de nudos y elementos para utilizar programas Ceinci-Lab……………………………………………………….. Figura 6.8 Grados de libertad estructura espacial…………………………... Figura 6.9 Ubicación del centro de masas en planta………………………... Figura 6.10 Espectros elásticos e inelásticos para cada caso……………….. Figura 6.11 Desplazamientos laterales por piso y del sistema de aislación… Figura 6.12 Combinaciones de carga aplicadas a un pórtico central……….. Figura 6.13 Aislador elastomérico diseño final……………………………... Figura 6.14 Planta estructural edificio de análisis…………………………... Figura 6.15 Elevacion……………………………………………………….. Figura 6.16 Estructura 12 pisos con aisladores elastoméricos……………… Figura 6.17 Esquema de ubicación aisladores elastoméricos……………….. Figura 6.18 Diagrama de histéresis del aislador para cada caso……………. Figura 6.19 Grados de libertad pórtico plano analizado…………………….. 90 94 97 101 101 102 102 106 107 108 110 110 112 113 115 119 121 122 123 124 128 129
  13. 13. xiii Figura 6.20 Numeración de nudos y elementos para utilizar Cenci-Lab…… Figura 6.21 grados de libertad estructura espacial………………………….. Figura 6.22 Ubicación del centro de masas en planta………………………. Figura 6.23 Espectros elásticos e inelásticos para cada caso sentido X …..... Figura 6.24 Espectros elásticos e inelásticos para cada caso sentido Y……. Figura 6.25 Desplazamientos laterales por piso y del sistema de aislación para cada caso sentido X………………………………………. Figura 6.26 Desplazamientos laterales por piso y del istema de aislación para cada caso sentido Y……………………………………….. Figura 6.27 Combinaciones de carga aplicadas en un pórtico central de la Estructura sentido X…………………………………………… Figura 6.28 Combinaciones de carga aplicadas en un pórtico central de la Estructura sentido Y…………………………………………… Figura 6.29 Aislador elastomérico diseño final……………………………... Figura 7.1 Prototipo de aislador elastomérico………………………………. Figura 7.2 Sujeción y adaptación del aislador elastomérico a la maquina universal………………………………………………………... Figura 7.3 Esquema de sujeción y adaptación del aislador elastomérico a la Maquina universal………………………………………………. Figura 7.4 Proceso de aplicación de carga al aislador en el ensayo………… Figura 7.5 Acople del deformimetro para medir deformaciones…………… Figura 7.6 Ensayo realizado al prototipo de aislador elastomérico…………. Figura 7.7 Esquema de la curva de histéresis……………………………….. Figura 7.8 Diagramas de histéresis promedio para cada % de deformación Obtenidos en el primer día de ensayo…………………………... Figura 7.9 Diagramas de histéresis promedio para cada % de deformación Obtenidos en el segundo día de ensayo…………………………. 130 134 135 140 142 145 146 153 155 162 165 167 168 169 171 173 179 181 185
  14. 14. xiv Figura 7.10 Diagrama de histéresis energía elástica e inelástica……………. 188
  15. 15. xv LISTA DE TABLAS pág Tabla 2.1 Dimensiones del aislador y placas de montaje…………………… Tabla 2.2 Propiedades, desplazamiento y carga axial en función del Diámetro del aislador…………………………………………….. Tabla 3.1 Estados de daño y niveles de desempeño. (SEAOC 1995)………. Tabla 3.2 Estados de daño y niveles de desempeño estructura ATC-40……. Tabla 3.3 Estado de daño y niveles de desempeño elem. no estructurales ATC-40…………………………………………………………… Tabla 3.4 Niveles de desempeño de la edificación ATC-40 (1996)………… Tabla 3.5 Niveles de desempeño de la edificación para elem. estructurales y no estructurales ATC-40……………………………………….. Tabla 3.6 Niveles de desempeño de la edificación………………………….. Tabla 3.7 Niveles de movimiento sísmico SEAOC (1995)…………………. Tabla 3.8 Niveles recomendados de desempeño esperados (SEAOC 1995).. Tabla 3.9 Niveles de movimiento sísmico ATC-40………………………… Tabla 3.10 Niveles de movimiento sísmico………………………………… Tabla 3.11 Niveles de desempeño esperado para edificaciones esenciales ATC-40 (1996)………………………………………………….. Tabla 4.1 Valores del factor B de reducción de amortiguamiento………….. Tabla 5.1 Valores de f1 para un aislador circular…………………………… Tabla 5.2 Valores de f2 para un aislador circular…………………………… Tabla 5.3 Controles que debe cumplir el espesor de la goma………………. Tabla 6.1 Propiedades mecánicas de los materiales………………………… Tabla 6.2 Factores de sitio…………………………………………………... 34 35 39 40 41 42 43 44 46 46 48 48 49 76 91 92 93 100 100
  16. 16. xvi Tabla 6.3 Calculo peso propio de la losa……………………………………. Tabla 6.4 Factores de mayoración…………………………………………... Tabla 6.5 Carga muerta……………………………………………………... Tabla 6.6 Carga muerta losa de aislación…………………………………… Tabla 6.7 Carga total considerada para el análisis………………………….. Tabla 6.8 Dimensiones aisladores elastoméricos…………………………… Tabla 6.9 Calculo de la altura del aislador………………………………….. Tabla 6.10 Propiedades dinámicas del aislador……………………………... Tabla 6.11 Periodos de vibración de la estructura…………………………... Tabla 6.12 Desplazamiento elásticos, fuerzas en el centro de masas y distribución de fuerzas para cada pórtico……………………….. Tabla 6.13 Desplazamiento sistema de aislación…………………………… Tabla 6.14 Combinación para el estado de cargas verticales……………….. Tabla 6.15 Combinación para el estado de cargas verticales más sismo DE.. Tabla 6.16 Combinación para el estado de cargas verticales más sismo MCE…………………………………………………………….. Tabla 6.17 Fuerza axial, desplazamiento y giros en aisladores por carga Vertical………………………………………………………….. Tabla 6.18 Fuerza axial, desplazamiento y giros en aisladores por carga Vertical y sismo DE y MCE…………………………………….. Tabla 6.19 Control de deformaciones angulares……………………………. Tabla 6.20 Calculo de la placa shim………………………………………… Tabla 6.21 Control de pandeo………………………………………………. Tabla 6.22 Placas exteriores………………………………………………… Tabla 6.23 Factores de sitio…………………………………………………. 103 103 103 104 104 105 105 106 111 111 112 114 114 115 117 117 118 118 118 119 120
  17. 17. xvii Tabla 6.24 Calculo peso propio de la losa…………………………………... Tabla 6.25 Carga muerta subsuelos…………………………………………. Tabla 6.26 Carga muerta losa de aislación………………………………….. Tabla 6.27 Carga muerta pisos superiores…………………………………... Tabla 6.28 Carga total considerada para el análisis………………………… Tabla 6.29 Dimensiones del aislador elastomérico…………………………. Tabla 6.30 Calculo de la altura del aislador elastomérico…………………... Tabla 6.31 Propiedades dinámicas del aislador……………………………... Tabla 6.32 Carga total considerada para el análisis………………………… Tabla 6.33 Periodos de vibración de la estructura sentido análisis X………. Tabla 6.34 Periodos de vibración de la estructura sentido análisis Y………. Tabla 6.35 Desplazamientos elásticos, fuerzas en el centro de masas y distribución de fuerzas para cada pórtico sentido análisis X……. Tabla 6.36 Desplazamientos elásticos, fuerzas en el centro de masas y distribución de fuerzas para cada pórtico sentido análisis Y……. Tabla 6.37 Desplazamientos sistema de aislación sentido de análisis X…… Tabla 6.38 Desplazamiento sistema de aislación sentido de análisis Y…….. Tabla 6.39 Combinación para el estado de cargas verticales sentido X…….. Tabla 6.40 Combinación para el estado de cargas verticales más sismo DE sentido de análisis X…………………………………………….. Tabla 6.41 Combinación para el estado de cargas verticales más sismo MCE sentido de análisis X……………………………………… Tabla 6.42 Combinación para el estado de cargas verticales sentido Y…….. Tabla 6.43 Combinación para el estado de cargas verticales más sismo DE sentido de análisis Y…………………………………………….. 124 124 125 125 126 126 127 127 135 136 137 138 139 140 140 147 148 149 150 151
  18. 18. xviii Tabla 6.44 Combinación para el estado de cargas verticales más sismo MCE sentido de análisis Y……………………………………… Tabla 6.45 Fuerza axial, desplazamientos y giros en los aisladores por carga vertical sentido de análisis X……………………………... Tabla 6.46 Fuerza axial y desplazamiento en los aisladores por carga vertical y sismo DE y MCE sentido análisis X…………............. Tabla 6.47 Fuerza axial, desplazamientos y giros en los aisladores por carga vertical sentido de análisis Y……………………………... Tabla 6.48 Fuerza axial y desplazamientos en los aisladores por carga Vertical y sismo DE y MCE sentido de análisis Y……………… Tabla 6.49 Control de deformaciones angulares……………………………. Tabla 6.50 Calculo de la placa shim………………………………………… Tabla 6.51 Control del pandeo……………………………………………… Tabla 6.52 Placas exteriores………………………………………………… Tabla 7.1 Deformaciones máximas…………………………………………. Tabla 7.2 Resultados obtenidos en el día 1 del ensayo……………………... Tabla 7.3 Resultados obtenidos en el día 2 del ensayo……………………... Tabla 7.4 Factor de amortiguamiento y rigidez horizontal para cada % de deformación en el ensayo 1………………………………………. Tabla 7.5 Factor de amortiguamiento y rigidez horizontal para cada % de deformación en el ensayo 2………………………………………. 152 158 159 159 160 160 161 161 161 172 180 184 189 189
  19. 19. xix RESUMEN ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y ANALÍTICO DE AISLADORES ELASTOMÉRICOS Se presenta el marco teórico y un estudio detallado para el análisis de estructuras con aisladores elastoméricos, y el diseño final de los mismos. Se considera dos estructuras diferentes ubicadas en la ciudad de Quito, en las cuales se incorporó aisladores elastoméricos con núcleo de plomo a nivel de planta baja, realizando el análisis para dos niveles de amenaza sísmica: el sismo raro y el muy raro. El espectro elástico de diseño es el especificado en la NEC-11, pero afectado por factores de sitio determinados por el estudio ERN-12; los aisladores serán incorporados en la estructura como elementos cortos, requiriendo la creación de un piso sobre los mismos denominado losa de aislación. Posterior al prediseño de los aisladores, en el análisis sísmico se consideró que los pisos son completamente rígidos con tres grados de libertad por planta, y mediante el método de superposición modal, se calculó los desplazamientos y giros máximos probables, así como fuerzas y momentos en coordenadas de piso. A partir de esta información, mediante un análisis plano y considerando el aislador como un elemento vertical, con unas adecuadas combinaciones de carga se encontró las fuerzas, desplazamiento horizontal y rotación que gravita en cada aislador. Posteriormente, se confirma mediante varios controles el pre diseño del aislador, presentándose el diseño final del mismo. Adicionalmente, se realiza un estudio experimental a un prototipo de aislador elastomérico fabricado de forma artesanal, en una investigación reciente realizada en la Universidad de la Fuerzas Armadas ESPE, en el año 2013. Se pudo determinar los valores de deformación y fuerza, estableciendo las curvas de histéresis que definen el aislador, determinando los valores de factor de amortiguamiento y rigidez secante. DESCRIPTORES: SISMO DE DISEÑO / ESPECTROS REDUCIDOS / SUPERPOSICIÓN MODAL / AISLADORES ELASTOMÉRICOS / ENSAYO AISLADOR / FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO / RIGIDEZ HORIZONTAL.
  20. 20. xx ABSTRACT EXPERIMENTAL AND ANALYTIC ANALYSIS FOR ELASTOMERIC ISOLATORS This study presented the literature review, and a detailed analysis of structures as well as elastomeric, and their final designs. It took in consideration two different structures, which are located in Quito city. In these structures, the researcher incorporated elastomeric isolators with lead core in the first floor, so that they could analyze the seismic hazard in two levels. The first type was rare earthquake, and the other one was very rare earthquake. The elastic spectrum design follows the specifications that readers could find in NEC-11, but this design was affected by some factors, which are determinated in ERN-12 study. The isolators will be incorporated in the structures as short elements that will require another floor over them. This element is called slab insulation. Before the isolators design, the researcher analyzed the seismic hazard, so investigator considered that the floors are rigid with three points of freedom for each floor. Applying the modal superposition method was possible to calculate probable, displacements, maximum twists as well as strengths, momentous of floor coordinates. With this information, and some analyses, the isolator was considered a vertical element with suitable combinations of load. It was able to find the right strength, horizontal displacement and twist which gravitate in each isolator. After that, it was confirmed through a variety of controls the isolator pre design. Then, the final design was presented. Additionally, it was set an experimental study with an elastomeric isolator prototype which was built in artisanal way. This isolator was invented in a recent study that took place in UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE IN 2013. Findings determine the values of deformation and strength, which stabilized the bending of hysteresis, which define the isolator and define the values of buffer and rigidness. KEYWORDS: SEISMIC DESIGN / SPECTRUM REDUCED / MODAL SUPERPOSITION / ISOLATORS ELASTOMERIC / ESSAY ISOLATORS / DAMPING FACTOR / HORIZONTAL STRENGTH.
  21. 21. xxi CERTIFICADO Yo, CARLOS OMAR QUILLUPANGUI QUILLUPANGUI, con cédula de ciudadanía 1715500342, certifico el haber realizado la traducción del resumen de “ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y ANALÍTICO DE AISLADORES ELASTOMÉRICOS”, elaborado por el Sr. Ingeniero: GUAYGUA QUILLUPANGUI BYRON ARMANDO, alumno de la Maestría en la Especialidad de “MAESTRÍA EN ESTRUCTURAS Y CIENCIAS DE LOS MATERIALES”, previa a la obtención del título de la maestría. Atentamente, TRADUCTOR C.C.: 1715500342
  22. 22. xxii
  23. 23. 1 CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN La implementación del aislamiento de base como medida de protección ante la acción sísmica ha experimentado un enorme desarrollo a nivel mundial, particularmente en países como Nueva Zelanda, Estados Unidos y Japón. Contrario a lo que sucede en Ecuador, donde su desarrollo ha sido limitado. Dada la condición del peligro sísmico en el que se encuentra la costa del Pacífico donde geográficamente está situado Ecuador, la aplicación de esta técnica resulta ideal. En países vecinos los resultados fueron satisfactorios, las estructuras que fueron diseñadas y calculadas con la aplicación de estos conceptos, tuvieron un comportamiento adecuado frente a sismos severos. Es decir se proporcionaría protección a la infraestructura del país y sobre todo es importante la protección de aquellas edificaciones y estructuras denominadas esenciales encargadas de atender servicios y emergencias después de un sismo, tales como: hospitales, escuelas, puentes, entre otros. 1.2 JUSTIFICACIÓN En general una estructura aislada es al menos cinco veces más segura que una estructura convencional fija al suelo, de hecho, los esfuerzos producidos por el sismo en la estructura con aislación son del orden de diez veces más pequeños que los de una estructura análoga fija al suelo según los estudios realizados en países vecinos (Chile). Esta reducción de esfuerzos es la que provoca que la estructura permanecerá sin daño incluso durante un sismo de grandes proporciones, esto se traduce a la obtención de estructuras sismo-resistentes lo que influye directamente en la seguridad de sus usuarios y por ende de la población en general.
  24. 24. 2 1.3 POSICIÓN DEL PROBLEMA El aislamiento basal ha ido tomando mayor importancia y confianza, debido a los buenos resultados que se han obtenido en los países altamente sísmicos, donde se ha implementado este sistema. Los lamentables desastres ocurridos como consecuencia de los sismos de Haití y Chile han llevado a la reflexión sobre el grado de impacto que estos tienen en el daño de la infraestructura y en general al desarrollo de los países y sobre todo en la pérdida de vidas humanas. Cabe resaltar el contraste que se genera entre los sismos de Haití y Chile en el primero con un sismo de magnitud 7.0 en la escala de Richter se perdieron 230 mil vidas humanas, y su infraestructura quedo devastada, debido básicamente a que sus edificaciones y viviendas fueron construidas con materiales inadecuados sin participación técnica y ninguna norma que rija su ejecución, por el contrario en chile con un sismo de magnitud 8.8 en la escala de Richter, este causó menores pérdidas de vidas humanas y menores perdidas económicas, la aplicación de un código de construcción, evito que haya mayor perdida y daños. Estos eventos demuestran que el impacto de un evento telúrico depende básicamente del contexto sociopolítico, económico, y fundamentalmente tecnológico en el cual se produce. No hay duda de que el movimiento telúrico de la magnitud similar al ocurrido en Chile hubiera causado un daño muy superior en cualquier otro país en vías de desarrollo, como es el caso de Ecuador. Nuestro país por estar ubicado en la zona de mayor riesgo sísmico del mundo, durante su historia ha sido impactado por la acción sísmica, por tal motivo no está libre de que fenómenos de esta naturaleza vuelvan a repetirse, presentándose un escenario de gran vulnerabilidad en lo institucional, infraestructura y vivienda. La prevención en el caso del sector de la construcción, significa aplicar los conocimientos técnicos más avanzados especialmente en ingeniería sismo-resistente y
  25. 25. 3 utilizar materiales y procesos constructivos que permitan asegurar un buen comportamiento y calidad de las edificaciones. 1.4 OBJETIVO GENERAL Realizar un estudio analítico y experimental del comportamiento de los aisladores elastoméricos, considerándolos como elementos estructurales para dos edificaciones los cuales van a estar ubicados a nivel de planta baja. 1.5 OBJETIVOS ESPECIFICOS a) Efectuar el análisis estructural de dos edificios, considerado aisladores elastoméricos ubicados a nivel de planta baja. b) Estudiar el comportamiento que tienen los aisladores tipo elastoméricos ubicados a nivel de planta baja de un edificio y su respuesta frente a fuerzas sísmicas. c) Analizar el comportamiento de un prototipo de aislador elastomérico con núcleo de plomo fabricado artesanalmente en un ensayo experimental. d) Motivar en el país la construcción y utilización de dispositivos aisladores que permitan un mejor desempeño de las estructuras ante eventos telúricos. 1.6 HIPÓTESIS El aislamiento de base es un enfoque de diseño que en lugar de tratar de incrementar la resistencia o ductilidad de la edificación, opta por reducir las demandas de aceleración y velocidad producidas por los movimientos sísmicos. 1.7 IMPACTO El impacto principal se da en la sociedad debido a que se evidencia un retraso en el desarrollo tecnológico respecto al diseño y construcción de edificios y estructuras que tengan un mejor desempeño frente a sismos severos, por lo que se evidencia que frente a un eventual fenómeno natural (Terremoto), el cual tiene altas posibilidades de que ocurra en el país, las estructuras no estarían preparadas, razón por la cual se
  26. 26. 4 esperaría daños muy severos en las estructuras lo que está directamente ligado a la seguridad de la población. 1.8 METODOLOGÍA Se iniciara el estudio revisando el estado del arte en todo lo que se refiere a información relacionada a la aislación basal y específicamente lo referente a los aisladores elastoméricos con núcleo de plomo. Luego se estudiara los parámetros que intervienen en el diseño teórico de los aisladores elastoméricos, tomando en cuenta las recomendaciones de los fabricantes de estos dispositivos. Se realizara el análisis sísmico de dos estructuras diferentes con aisladores elastoméricos ubicados a nivel de planta baja, posteriormente se verificara y ratificara el diseño inicial de los aisladores elastoméricos con núcleo de plomo realizando los controles respectivos de cada uno de sus componentes. Finalmente se realizara un estudio experimental de un prototipo de aislador elastomérico ya fabricado. De acuerdo a los resultados obtenidos, se podrá demostrar las bondades de los aisladores elastoméricos instalados en edificaciones, frente a grandes sismos; con lo cual se contribuiría con una metodología probada. Es importante incentivar a la industria ecuatoriana a la fabricación de estos dispositivos para reducir los costos, debido a los beneficios demostrados ante sismos severos. Adicionalmente, concientizar al país de la necesidad de construir edificaciones más seguras ante los mencionados fenómenos. Se aspira publicar por lo menos 1 artículo en el transcurso de esta investigación antes de presentar la tesis final.
  27. 27. 5 1.9 RECURSOS Disponibilidad de amplia información a nivel internacional de experiencias conseguidas en el análisis, diseño y construcción de edificios con sistemas de aislación. A nivel nacional se cuenta con información experimental sobre los diferentes tipos de aislación, en algunas universidades se ha llegado a fabricar prototipos de aisladores elastoméricos, por lo que se cuenta con voces autorizadas para el desarrollo de la investigación.
  28. 28. 6 CAPÍTULO 2 RESEÑA HISTÓRICA DE LOS AISLADORES ELASTOMÉRICOS 2.1 PRIMERA ESTRUCTURA CON AISLACIÓN SÍSMICA EN SUDAMÉRICA El desarrollo de la ingeniería sísmica inicio a principios del siglo XX sobre todo en la zona de Norte América, a partir de la toma de conciencia de la necesidad de incorporar a las edificaciones y estructuras, protecciones adicionales ante la acción de solicitaciones sísmicas importantes por lo que procedimientos para el análisis y diseño de edificios y puentes para cargas sísmicas existen en el mundo desde la década de 1920. Para edificios, los efectos sísmicos fueron incorporados por primera vez en el Uniform Building Code (UBC) de 1927 en Estados Unidos. Sin embargo, el código no incorporaba requerimientos de diseño. Los requerimientos de diseño se incorporaron en el código de 1930. En general, el desarrollo de la normativa a nivel mundial ha estado siempre relacionado con la ocurrencia de terremotos de gran magnitud. A nivel de Sudamérica en Chile, luego del terremoto de Talca de 1928 se publicó el primer reglamento de diseño sísmico que comenzó a regir en 1935 a través de la Ordenanza General de Construcciones y Urbanización. Posteriormente el primer documento para el diseño de estructuras con aislación sísmica de base fue publicado en 1986 por el SEAOC (Structural Engineering Association of California). Estados Unidos y Japón son los principales precursores del uso de estas tecnologías de protección. Los sistemas de protección sísmica presentaron su mayor auge luego de los terremotos de Northridge (EEUU) en 1994 y Kobe (Japón) en 1995, en los dos terremotos se observó que las construcciones que poseían sistemas de aislación
  29. 29. 7 sísmica se comportaron de excelente forma, lo que estimuló la masificación de este tipo de tecnología. La experiencia internacional muestra que el uso de tecnologías de protección sísmica no solo aplica para estructuras nuevas, sino que también es utilizada como estrategia de refuerzo o rehabilitación de estructuras ya existentes, algunos ejemplos emblemáticos de estas aplicaciones son el Capitolio de Utah (EEUU), el Municipio de San Francisco (EEUU), y el puente Golden Gate en San Francisco (EEUU). Hasta el año 2011, Japón contaba con más de 2500 construcciones con sistemas de aislación sísmica mientras que Estados Unidos con alrededor de 200. (Abarca et al, .2011) A nivel de Sudamérica, países como Chile han sido los pioneros en utilizar el concepto de aislación sísmica en algunas obras importantes. Así el edificio de la CEPAL en Santiago construido en los años 60 cuenta con un sistema colgante con topes de goma para este objeto. Buscando el mismo fin en el puerto metalero de Guacolda se montó el sistema de carguío en un apoyo deslizante con el objeto de controlar las fuerzas sísmicas sobre la estructura. Posteriormente el edificio de control de las nuevas instalaciones de la mina “La Disputada de los Condes” fue instalada sobre aisladores sísmicos, estos aisladores tienen doble función, la una es la de absorber las vibraciones provenientes de las máquinas de procesamiento de mineral y la otra efectivamente los movimientos sísmicos, estos consistían en elementos de goma de alto amortiguamiento reforzada con placas de acero, sin núcleo de plomo. En el año 1991, se construye el edificio de viviendas sociales, de cuatro pisos, que corresponde al conjunto habitacional de la Comunidad Andalucía, ubicado en la comuna de Santiago. Este edificio tiene muros de albañilería y hormigón, cuatro pisos, montados en ocho aisladores sísmicos de alto amortiguamiento. Su dimensión en planta es de 10 x
  30. 30. 8 6 metros y 13.4 m de altura. El aislador utilizado tiene 31.5 cm de diámetro y 32 cm de altura, está compuesto por 34 capas de goma de 6.7 mm de espesor. El criterio de diseño fue llevar el edifico de 0.1 segundos a 2 segundos. La carga axial sobre el aislador es de 350 kN y el desplazamiento de diseño de 20 cm. La goma presentaba un módulo de corte que variaba de 3.2 MPa para pequeñas deformaciones hasta 0.65 MPa para el 50% de deformación y un amortiguamiento cercano al 15%. Este edificio se instrumentó con sensores de movimiento fuerte y su respuesta ha sido evaluada para 15 eventos medianos (Moroni, et al, 1998, 2000a y 2000b). La iniciativa corresponde a un proyecto experimental del Ministerio de Vivienda y la Universidad de Chile, Las mediciones también se captan en una edificación vecina idéntica pero sin aislamiento sísmico. Con el fin de determinar las características experimentales de los aisladores utilizados, estos fueron sometidos a diferentes tipos de ensayos en los laboratorios del de la Universidad de Chile para determinar sus características de deformación versus la carga aplicada, tanto para fuerzas verticales como horizontales. Para el caso de carga horizontal se comprobó los resultados de los ensayos realizados en chile, enviando dos aisladores al laboratorio del “Earthquake Engineering Research Center”, Berkeley, California. Para estudiar las características dinámicas de los edificios se diseñó un programa de registros de vibraciones tanto para el edificio aislado como en el edificio testigo sin aislación, el cual comprendió en el registro de micro vibraciones, prueba de vibraciones libres del edificio aislado (tipo pull back) y registro de vibraciones inducidas por movimientos sísmicos. En este último caso los sismos fueron de pequeña intensidad, de tal forma que no muestran las exigencias reales a las cuales estarían sometidos los aisladores durante un terremoto, los resultados obtenidos se resumen a continuación:
  31. 31. 9  Los ensayos de micro vibraciones dan un periodo propio de vibrar del edificio no aislado de 0.11 segundos, en cambio en el edificio con aislación este periodo sube a 0.15 segundos, el aumento del periodo propio no es sustancial debido a la poca amplitud de las oscilaciones.  De las pruebas de vibraciones libres del edificio aislado se obtuvo un periodo propio variable según la magnitud de las oscilaciones lo cual está de acuerdo con la naturaleza no lineal de los aisladores. Extrapolando los resultados de deformaciones de la goma del orden del 50%, se llega a un periodo propio cercano al de diseño (1.8 segundos). Además se obtiene un amortiguamiento viscoso equivalente del orden del 30%, que es mayor que el medido experimentalmente en los aisladores y que el deducido de las propiedades de la goma. En todo caso este mayor valor del amortiguamiento es beneficioso en cuanto a reducir la respuesta sísmica.  Finalmente los registros de sismos pequeños muestran una reducción importante de las aceleraciones a nivel de techo entre el edificio tradicional y el edificio asilado sísmicamente (su valor máximo baja aproximadamente a la mitad). Tras el pasado terremoto de febrero 2010, el edificio aislado no registró ningún tipo de daño y las aceleraciones registradas a nivel de techo fueron la cuarta parte de las medidas en el edificio gemelo sin aislación el cual sí presentó daños en uno de los muros de albañilería del segundo piso y caída de objetos en su interior. Esta estructura modelo, permitió validar el uso de esta tecnología en el país y se puede decir que gracias a ella se han desarrollado varios proyectos tanto en estructuras de edificios como en puentes y equipos industriales y es así que posteriormente, una veintena de estructuras con sistemas de protección sísmica han sido construidos, entre los que destacan el viaducto Marga-Marga, el Muelle Coronel,
  32. 32. 10 el puente Amolanas, el Nuevo Hospital Militar La Reina, el edificio Parque Araucano, la Clínica UC San Carlos de Apoquindo, la Torre Titanium, y los edificios de la Asociación Chilena de Seguridad en Santiago y Viña del Mar, entre otras. Figura 2.1 Edificios comunidad de Andalucía Chile
  33. 33. 11 Figura 2.2 Aisladores elastoméricos utilizados en los edificios del conjunto comunidad de Andalucía Chile 2.2 DIFERENTES FORMAS DE AISLADORES ELASTOMÉRICOS La aislación sísmica de base es el procedimiento más eficiente para la protección sísmica de estructuras relativamente bajas o rígidas. Los aisladores sísmicos más desarrollados y utilizados en la actualidad son los aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (con o sin núcleo de plomo) y los deslizantes o friccionales. Los aisladores elastoméricos están conformados por un conjunto de láminas planas de elastómeros intercaladas con capas de acero. Las láminas de elastómeros son vulcanizadas a las capas de acero y, por lo general, presentan una sección circular o cuadrada. Mediante esta configuración se logra la flexibilidad lateral necesaria para permitir el desplazamiento horizontal relativo entre la estructura aislada y el suelo. La rigidez vertical del sistema es comparable con la rigidez vertical de una columna de hormigón armado. El comportamiento de los aisladores elastoméricos depende de la amplitud de la deformación a la que son sometidos y, en menor grado, de la temperatura, el envejecimiento y la frecuencia del movimiento. Existen varios tipos de apoyos elastoméricos, entre ellos se encuentran los apoyos de goma natural (NRB, Natural Rubber Bearing), los apoyos de goma de bajo amortiguamiento (LDRB, Low-Damping Rubber Bearing) y alto amortiguamiento (HDRB, High-Damping
  34. 34. 12 Rubber Bearing), y los apoyos de goma con núcleo de plomo (LRB, Lead-plug Rubber Bearing). Figura 2.3 Aisladores elastoméricos de sección cuadrada. 2.2.1 Aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento (LDRB) Este tipo de dispositivos son los más simples dentro de los aisladores elastoméricos. Los aisladores tipo LDRB presentan bajo amortiguamiento (2-5% como máximo), por lo que generalmente se utilizan en conjunto con disipadores de energía que proveen amortiguamiento adicional al sistema. Estos dispositivos presentan la ventaja de ser fáciles de fabricar. Figura 2.4 Aislador elastomérico de bajo amortiguamiento tipo LDRB.
  35. 35. 13 2.2.2 Aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDRB) Los HDRB son aisladores elastoméricos cuyas láminas de elastómeros son fabricados adicionando elementos como carbón, aceites y resinas, con el fin de aumentar el amortiguamiento de la goma hasta niveles cercanos al 10-15%. Los aisladores tipo HDRB presentan mayor sensibilidad a cambios de temperatura y frecuencia que los aisladores tipo LDRB y LRB. A su vez, los aisladores HDRB presentan una mayor rigidez para los primeros ciclos de carga, que generalmente se estabiliza luego del tercer ciclo de carga. Estos dispositivos, al igual que los dispositivos tipo LRB, combinan la flexibilidad y disipación de energía en un solo elemento, con la característica de ser, relativamente, de fácil fabricación. 2.2.3 Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo (LRB) Los aisladores con núcleo de plomo (LRB) son aisladores elastoméricos similares a los LDRB pero poseen un núcleo de plomo, ubicado en el centro del aislador, que permite aumentar el nivel de amortiguamiento del sistema hasta niveles cercanos al 25-30%. Al deformarse lateralmente el aislador durante la acción de un sismo, el núcleo de plomo fluye, incurriendo en deformaciones plásticas, y disipando energía en forma de calor. Al término de la acción sísmica, la goma del aislador retorna la estructura a su posición original, mientras el núcleo de plomo se re cristaliza. De esta forma el sistema queda listo para un nuevo evento sísmico. (Abarca, et al, 2011) Figura 2.5 Aislador elastomérico con núcleo de plomo tipo LRB.
  36. 36. 14 2.3 ESTRUCTURAS CON AISLACIÓN SÍSMICA EN CHILE El 27 de febrero de 2010, Chile vivió uno de los mayores eventos sísmicos en la historia de la humanidad donde la ingeniería y construcción chilena se vio sometida a la mayor de las pruebas posibles. Sin dejar de lamentar los daños y pérdidas humanas producidas en este gran terremoto, es importante reconocer el excelente desempeño que, en términos generales, demostraron las edificaciones y obras de construcción. El terremoto de 2010 también dejó en evidencia que la población en general demanda algo más del sector de la construcción, no solo el hecho de evitar el colapso de las estructuras en sismos de intensidad excepcionalmente severa, como lo indican las normativas, si no también hoy en día es importante, el confort y el resguardo del contenido de los edificios. Es en esta área donde la innovación en el sector construcción y de la ingeniería estructural tiene la palabra y es así como se han desarrollado nuevas soluciones y tecnologías que permiten avanzar y alcanzar estos objetivos. En Chile, ya en la década de los 90 se constatan las primeras experiencias de uso de sistemas de protección sísmica para estructuras, y durante los últimos años, los casos en los que se ha incorporado estas tecnologías, ya sea de aislamiento sísmico o de disipación de energía, se han multiplicado en forma considerable. Al considerarse que Chile es un país sísmico, quizás el de más actividad telúrica del mundo, por lo que las posibilidades que nos presentan los sistemas de protección sísmica, permitirá enfrentar el futuro y los próximos eventos de forma adecuada. 2.3.1 Algunas estructuras con protección sísmica antes del terremoto del 2010 en Chile.  Edificio Andalucía (1992): Es el primer proyecto Chileno aislado sísmicamente, se trata de un edificio de 4 pisos el cual cuenta con aisladores de goma de alto amortiguamiento, cilíndrico de 31.5cm de diámetro y con
  37. 37. 15 láminas de acero de 2mm de espesor. Este es un proyecto experimental del Ministerio de la Vivienda y la Universidad de Chile, en el edificio se instalaron 4 equipos digitales SSA-2, las mediciones también se captan en una edificación vecina sin aislamiento sísmico.  Puente Marga Marga (1996): Ubicado en Viña del Mar, es el primer puente que incluyo aisladores sísmicos elastomérico en su construcción, consiguiendo con esto una reducción importante en los requerimientos de diseño impuestos a las pilas y estribos, además permitió reducir el número de pilotes de la fundación. La superestructura del puente está formada por 4 vigas continuas de acero con un tablero de hormigón armado apoyadas en 36 aisladores sísmicos de alto amortiguamiento. Éstos a su vez se anclan a 7 pilas y 2 estribos. En los estribos, el movimiento transversal al tablero está restringido por apoyos deslizantes, de manera que las juntas de dilatación de entrada al puente sólo se mueven en el sentido longitudinal. En las pilas los aisladores no tienen ningún tipo de restricción. Investigadores de la Universidad de Chile e ingenieros del departamento de puentes del MOP decidieron instalar una red de 21 acelerógrafos para monitorear su comportamiento sísmico. Posterior a la construcción del Puente Marga Marga, en la mayoría de los puentes importantes construidos en Chile, se incluyeron aisladores sísmicos tanto elastoméricos como de neopreno. Figura 2.6 Puente Marga Marga.  Puente Amolanas (2000): A 309 km al norte de Santiago, en el tramo La Serena-Los Vilos de la ruta 5 Norte, se ubica el puente carretero más alto de
  38. 38. 16 Chile, alcanzando los 100,60 metros. Construido en una estructura, mixta de acero y hormigón armado, representa un hito por su tecnología y proceso constructivo. Su principal característica son los apoyos deslizantes sobre sus pilas y estribos y dos amortiguadores viscolelásticos en los estribos que actúan absorbiendo las vibraciones sísmicas. Figura 2.7 Puente Amolanas.  Campus clínico San Carlos de Apoquindo (2001): Cuenta con 7 pisos con una área de 8000m², el sistema estructural está conformado por marcos espaciales rígidos, se utilizaron un total de 52 aisladores elastoméricos de los cuales 22 son con núcleo de plomo a nivel de cielo raso del subsuelo, con esto se evitó la construcción de una losa adicional. Figura 2.8 Clínica San Carlos de Apoquindo
  39. 39. 17 Figura 2.9 Aisladores elastoméricos utilizados en la Clínica San Carlos de Apoquindo  Hospital Militar la Reina (2007): El sistema estructural está conformado por marcos espaciales rígidos, cuenta con 5 niveles y con una área aproximada de 39900m², se colocaron 164 aisladores elastómericos de los cuales 50 son con núcleo de plomo y están ubicados bajo la losa de cubierta del subterráneo con un diámetro de 90cm y 114 aisladores sin núcleo de plomo con diámetros de 70cm y 90cm. Figura 2.10 Pórtico representativo Hospital Militar La Reina.
  40. 40. 18 Figura 2.11 Aisladores elastoméricos Hospital Militar La Reina.  Muelle para contenedores del puerto de Coronel (2009): La solicitación sísmica del muelle es resistida mediante pilotes verticales y pilotes inclinados. Éstos últimos forman mesas sobre las cuales se disponen cuatro aisladores sísmicos. En total se instalaron 96 sobre 24 mesas independientes. Los aisladores de tipo elastoméricos con núcleo de plomo miden 70 cm de diámetro y 24 cm de altura. Estos se constituyeron de 27 capas de goma de 6 mm y 25 láminas de acero de 3 milímetros. Este proyecto correspondería al primer muelle de este tipo en el mundo que tiene aislamiento sísmico.
  41. 41. 19 Figura 2.12 Aisladores elastoméricos Puerto Coronel 2.3.2 Algunas estructuras con protección sísmica después del terremoto del 2010 en Chile.  Edificio Torre del Sol (2012): Edificio de apartamentos con una área de 19100m² distribuidos en 1 piso mecánico, más 2 subterráneos, más 15 pisos, más 1 nivel de equipamiento, más 1 nivel de sala de máquinas, se utilizaron 45 aisladores elastoméricos con núcleo de plomo, con un amortiguamiento aproximado de 20%, 8 de ellos se ubicaron en los extremos del edificio, bajo los estacionamientos del segundo subsuelo, para prevenir tracciones en los mismos.
  42. 42. 20 Figura 2.13 Edificio Torre Sol  Sede central ONEMI-ANPC (2013): Es un edificio de aproximadamente 8000m², el cual hará frente a futuros terremotos en base a un sistema de aislamiento sísmico basal elastomérico, materializado con 16 aisladores sísmicos de alto amortiguamiento (HDRI), capaces de reducir hasta en un 90% la fuerza sísmica a nivel del primer piso, los aisladores estarán ubicados en piso zócalo y sobre ellos se apoyaran 16 tetrápodos que sostendrán la estructura. El sistema de aislamiento sísmico fue diseñado para resistir sismos con un periodo de retorno de 950 años (10% de probabilidad de excedencia en 100años), y logrando deformaciones hasta de 30 cm aproximadamente. El diseño permitió reducir la demanda de ductilidad a un valor cercano a 1, permitiendo con esto predecir un comportamiento esencialmente elástico de la estructura, minimizando con esto la posibilidad de daño en los elementos sismoresistentes, además se lograron reducciones importantes de las aceleraciones de piso y drift, obteniendo como resultado un movimiento lento del edificio durante un evento sísmico (mayor confort para las personas) y una muy baja probabilidad de daño en elementos no estructurales.
  43. 43. 21 Figura 2.14 Edificio Sede Central ONEMI  Villa 26 de septiembre (2013): El terremoto del 27 de febrero del 2010 dejo profundos daños en la Villa 26 de septiembre en la comuna Santa Cruz, en el año 2013 el Ministerio de Vivienda y Urbanismo de Chile inicio la reconstrucción del conjunto habitacional en el mismo terreno, se utilizara un sistema de aislamiento sísmico mixto de aisladores elastoméricos con deslizadores friccionales bajo una estructura de pórticos de hormigón armado, este sistema será utilizado por primera vez en Chile, para un conjunto habitacional de viviendas sociales, son 7 aisladores sísmicos elastoméricos de 75cm de diámetro, en conjunto con 21 deslizadores friccionales por cada bloque de edificios. Dispositivos que permitirán que ante un terremoto, las
  44. 44. 22 aceleraciones y fuerzas actuantes se reduzcan hasta un 80% dando seguridad a sus habitantes. Figura 2.15 Edificios Villa 26 de septiembre  Edificio Amaura (2014): Es un proyecto habitacional de 21 pisos y 1 subterráneo, destaca por la seguridad que tendrá frente a sismos severos, en base a la aplicación de un sistema de aislamiento sísmico conformado por 41 aisladores elastoméricos, el proyecto tiene 43 metros de largo y 26 metros de ancho aproximadamente. El edificio tiene una superficie total aproximada de 17.580 m² distribuida en 21 pisos y 1 subterráneo y llegando a una altura aproximada de 60 metros sobre el nivel de fundaciones. Está estructurado en base a muros de hormigón armado, el sistema de aislamiento sísmico fue diseñado para resistir sismos con un período de retorno de 949 años (10% de probabilidad de excedencia en 100 años). El sismo antes mencionado corresponde al sismo máximo posible que define la norma chilena NCh2745 y representa un nivel de aceleración 20% mayor que el sismo de diseño especificado en el mismo documento.  Centro de control integrado de operaciones de Codelco (2014): El terremoto de febrero de 2010 puso a prueba la construcción chilena, y a pesar de que ésta respondió de manera satisfactoria, la continuidad de operaciones, tanto en el rubro minero como industrial, es un tema pendiente ante un futuro evento telúrico severo. Ejemplo de ello es la tecnología antisísmica presente en la construcción de su Centro Integrado de Operaciones (CIO), el cual tiene
  45. 45. 23 por objetivo mantener el control de todos sus procesos de manera virtuosa, pudiendo con ello hacer frente a situaciones de emergencia tales como sismos de mediana o alta intensidad. Al ser el primer proyecto estructural en Codelco, incorpora en su construcción los ajustes de la norma antisísmica post terremoto del 27/F. De acuerdo a la Normativa Corporativa, el edificio CIO pertenece a la categoría de infraestructura crítica, por su importancia estratégica. Es en esta lógica que la decisión técnica adoptada para asegurar la continuidad operativa, ante eventos naturales, fue la utilización de un sistema de protección sísmica en base a aisladores y deslizadores sísmicos; lo que en términos generales consiste en construir el edificio sobre una interfaz flexible que permite desacoplar el movimiento de la estructura con respecto al movimiento del suelo de fundación durante un terremoto, el Edificio CIO, ubicado en Calama, corresponde a una sala de control de los procesos en la mina, contará con un sistema de aislamiento sísmico, el primer piso dispondrá de una planta de 40m × 25m, el segundo piso será similar a un altillo con forma de L y un área aproximada de 224 m². El proyecto tiene un único nivel de aislamiento, ubicado bajo el primer piso, consta de una losa con placa metálica colaborante que actúa como diafragma y bajo ésta se ubican los aisladores y deslizadores, los que se conectan directamente a las fundaciones. El proyecto contempla 10 aisladores elastoméricos y 13 deslizadores friccionales, esto asegura que luego de ocurrido el evento, se estará en condiciones de afrontar la operación con el CIO totalmente activo.
  46. 46. 24 Figura 2.16 Edificios CIO Codelco 2.3.3 Estructuras con protección sísmica en Ecuador Como se ha detallado anteriormente, el desarrollo de las metodologías de aislación sísmica en el país ha sido bastante limitado, no se tienen registros de que en el país existan estructuras, sean de edificación o estructuras especiales que cuenten con aislación basal mediante aisladores elastoméricos. Sin embargo en los últimos años en el país se ha ejecutado proyectos de gran envergadura donde ya se incorporan en los diseños el criterio de aislación basal, mediante el concepto de aisladores de base FPS (Sistema de péndulo friccionante). A continuación se detalla algunos proyectos que incorporan estos dispositivos de protección sísmica.  Puente Los Caras sobre el estuario del Rio Chone: Cuya construcción finalizo en el año 2010, cuenta con una longitud de 1981,40 m, compuesto por
  47. 47. 25 tres tramos, tramo acceso Bahía (120.30m sin aislación) , tramo acceso San Vicente (153.95m sin aislación), y tramo Central (de 1710.67m aislado), el puente está formado por 46 pilas de las cuales 39 son cimentadas directamente en el agua mediante la utilización de pilotes hincados, la superestructura esta conformadas por vigas de hormigón postensadas de altura 1.85m y longitudes de viga que van de 37.0m hasta 40.70 m de longitud, estas vigas están amarradas por diafragmas postensados en los extremos los mismos que descansan sobre dos aisladores sísmicos tipo FPS (aislador sísmico tipo péndulo de triple fricción). Figura 2.17 Aisladores sísmicos Puente Los Caras.  Puentes sobre el Estuario del Rio Esmeraldas: Dentro del proyecto denominado construcción de puentes sobre el estuario del Rio Esmeraldas y vías de acceso, se construirán 3 puentes: sur L=160m, norte L=120m, norte 1 L= 108m), y un cuarto puente de L=434m. los primeros 3 puentes cuentan con
  48. 48. 26 aisladores sísmicos tipo FPS (aislador sísmico tipo péndulo de triple fricción), conformados por dos estribos y pilas centrales es decir se cuenta con apoyos centrales, en cada apoyo se ha colocado aisladores sísmicos, donde se apoyan las vigas metálicas de acero tipo A-588. Figura 2.18 Puentes sobre el estuario del rio Esmeraldas, puente norte, puente norte 1.
  49. 49. 27 Figura 2.19 Puentes sobre el estuario del rio Esmeraldas, puente sur y aisladores FPS utilizados  Puente sobre el Rio Chiche: Cuenta con 314.5m de longitud, su construcción finalizo en noviembre del 2014, es un puente de voladizos sucesivos consta de tres tramos con una luz libre de 150m, el puente tiene un acho de 23m las
  50. 50. 28 alturas de las pilas son de 65m, el tablero se conforma de una viga tipo cajón con sección transversal variable desde 10m de altura en los apoyos y 2m en el centro son un total de 37 dovelas, cuenta con aisladores tipo FPS en las bases lo que le permite asimilar las fuerzas producidas por los efectos sísmicos. Figura 2.20 Puente sobre el Rio Chiche  Edificio sede de la Unasur Quito: El proyecto se encuentra situado en el Complejo Ciudad Mitad del Mundo, Quito es una estructura mixta de hormigón y acero de siete niveles, se diseñó un sistema de aislamiento sísmico en los volados con el fin de reducir los niveles de aceleración horizontal y vertical en los pisos de oficinas con el fin de evitar el daño de componentes no estructurales y equipos así como la conmoción de de los ocupantes en caso de sismos, de igual forma mitigar la vibraciones generadas
  51. 51. 29 por las actividades generales de uso, y disminuir la demanda sísmica en los elementos de la estructura en celosía que soporta los volados. Los aisladores sísmicos instalados son unos dispositivos especiales denominados aisladores 3D compuestos los cuales tienen la capacidad de brindar un aislamiento vertical y horizontal, el aislamiento horizontal se lo consigue mediante la utilización de un aislador tipo FPS, el cual tiene capacidad de desplazamiento y disipación de energía, el aislamiento vertical se lo obtiene mediante un disipador de energía el cual trabaja mediante una fuerza de fricción, la cual esta calibrada de tal forma que el aparato no se mueve en sentido vertical por las actividades normales diarias en el piso, es decir el dispositivo se encuentra bloqueado únicamente se activa en el caso de un evento sísmico importante, el cual supere el valor de la carga viva de diseño. Figura 2.21 Sede Unasur Quito
  52. 52. 30 Figura 2.22 Aislador 3D instalado en el Edificio de la Unasur 2.4 AISLADORES ELASTOMÉRICOS CON NÚCLEO DE PLOMO La necesidad de incorporar un grado de deformación inelástica (plástica) en las estructuras y como administrar esta deformación y ductilidad es el principio fundamental en el cual se basan la teorías sobre cómo controlar las fuerzas y también el grado de rigidez que necesitan las estructuras. A partir de este principio, vieron la luz los conceptos de aislamiento sísmico y disipación de energía todo esto con fin de conseguir la reducción de las vibraciones en las edificaciones. Su incorporación permite disminuir los efectos sísmicos en edificios y en otras estructuras, protegiendo los elementos estructurales, no estructurales, e incluso su contenido. Refiriéndonos exclusivamente al aislamiento sísmico, este es utilizado preferentemente en edificios de baja altura permitiendo filtrar el movimiento, a través de la incorporación de aisladores en las cimentaciones del edificio, los cuales cortan la estructura mecánica del edificio y lo aíslan del suelo protegiéndolo considerablemente cuando el terreno vibra.
  53. 53. 31 Figura 2.23 Comportamiento de dos estructuras la una sin aislación sísmica y la otra con aislación sísmica ante la acción de un sismo. Los principios de la aislación son dos: flexibilización y aumento de amortiguamiento. La flexibilización o aumento del periodo fundamental de la estructura se logra a través de la introducción de un piso blando entre el suelo de fundación y la superestructura. Si la rigidez lateral de este piso blando es mucho menor que la rigidez lateral de la superestructura el sistema tendera a deformarse solo en la interface de aislación, trasmitiendo bajos esfuerzos cortantes a la superestructura, la cual permanece como bloque rígido, y por ende con pequeña deformación y sin daño significativo durante la respuesta sísmica, por este motivo el aislamiento de base es recomendable en estructuras rígidas sobre terrenos firmes. Y el aumento del amortiguamiento viene dado por el sistema de aislación utilizado, este aumento de amortiguamiento busca reducir la demanda de deformaciones sobre el sistema de aislación y la superestructura sin producir un aumento sobre las aceleraciones de esta última. Los aisladores son los dispositivos que se emplean para el aislamiento sísmico, los cuales son la combinación de materiales como la goma (caucho), el plomo y el acero para desarrollar elementos que amortigüen el impacto del sismo y
  54. 54. 32 permitan reducir considerablemente los daños en los elementos estructurales y no estructurales. El dispositivo más utilizado comúnmente en los sistemas de aislamiento sísmico es el aislador elastomérico y estos son generalmente de sección cuadrada o circular. Como alternativa para lograr un significativo aumento en los niveles de amortiguamiento (15% al 30%), se utiliza el conocido aislador de goma con núcleo o corazón de plomo. Los aisladores elastoméricos con núcleo de plomo están conformados por láminas de caucho natural intercaladas con placas de acero, las cuales son vulcanizadas entre sí y poseen un núcleo de plomo que aumenta su capacidad de amortiguamiento. El amortiguamiento que se logra con la inclusión del núcleo de plomo como se indicó anteriormente fluctúa entre el 15% y el 30 %, al deformarse lateralmente durante la acción de un sismo, el núcleo de plomo fluye, incurriendo en deformaciones plásticas, y disipando la energía en forma de calor. Al término de la acción sísmica el caucho del aislador retorna la estructura a su posición original, mientras el núcleo de plomo se recristaliza, así el sistema queda listo para un nuevo evento sísmico. Estos dispositivos son fabricados a medida para cada proyecto, de acuerdo a la rigidez horizontal, rigidez vertical, desplazamiento, capacidad de carga y capacidad de amortiguamiento requerida. A continuación se detalla la nomenclatura utilizada para identificar los elementos que conforman el aislador elastomérico y que intervienen en el diseño del mismo, para el caso de un aislador elastomérico de sección circular. Sea 𝑡𝑟 el espesor de la goma y 𝑡𝑠 el espesor de la placa de acero, la suma de los espesores de goma se denomina 𝑇𝑟 y en base a esta dimensión se determina la rigidez al corte del aislador; En la parte exterior se tienen dos placas de mayor espesor que en la Figura 2.23 se han identificado como 𝑡𝑡 𝑝, la superior y 𝑡𝑏 𝑝, la inferior. Estas placas deben ser capaces de soportar la carga axial que llega al aislador. Si el espesor de la placa exterior es muy grande se puede colocar una placa de ancho 𝑡𝑖𝑝 en la parte interior del aislador.
  55. 55. 33 Figura 2.24 Dimensiones de un aislador con núcleo de plomo Figura 2.25 Aislador elastoméricos con núcleo de plomo de sección circular Di Do CS tr tbp ttp tip ts
  56. 56. 34 Figura 2.26 Aislador elastoméricos con núcleo de plomo de sección cuadrada Las tablas que se presentan a continuación tabla 1 y tabla 2 resultan de mucha utilidad para iniciar el diseño de los aisladores elastoméricos con núcleo de plomo ya que proporcionan una buena aproximación de las dimensiones finales de los mismos y son el punto de partida del diseño, estas tablas son proporcionadas por los fabricantes de los aisladores. Tabla 2.1 Dimensiones del aislador y placas de montaje Do H Di L t Ø orificio A B (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 305 125-280 4-14 0-100 355 25 4 27 50 - 355 150-305 5-16 0-100 405 25 4 27 50 - 405 175-330 6-20 0-125 455 25 4 27 50 - 455 175-355 6-20 0-125 510 25 4 27 50 - 520 205-380 8-24 0-180 570 25 8 27 50 50 570 205-380 8-24 0-180 620 25 8 27 50 50 650 205-380 8-24 0-205 700 32 8 27 50 50 700 205-430 8-30 0-205 750 32 8 33 65 75 750 230-455 8-30 0-230 800 32 8 33 65 75 800 230-510 8-33 0-230 850 32 8 33 65 75 850 230-535 8-35 0-255 900 38 12 33 65 95 900 255-560 9-37 0-255 955 38 12 33 65 95 950 255-585 10-40 0-280 1005 38 12 33 65 95 1000 280-635 11-40 0-280 1055 38 12 40 75 115 1050 305-660 12-45 0-305 1105 44 12 40 75 115 1160 330-760 14-45 0-330 1205 44 12 40 75 115 1260 355-760 16-45 0-355 1335 44 16 40 75 115 1360 405-760 18-45 0-380 1435 51 16 40 75 115 1450 430-760 20-45 0-405 1525 51 20 40 75 115 1550 455-760 20-45 0-405 1625 51 20 40 75 115 # capas de goma # de orificios DIMENSIONES AISLADOR DIMENSIONES PLACAS DE ANCLAJE
  57. 57. 35 Tabla reproducida de Dynamic Isolation Systems Tabla 2.2 Propiedades, desplazamiento y carga axial en función del diámetro del aislador. Tabla reproducida de Dynamic Isolation Systems Consiste en determinar la carga axial total del edificio que gravita sobre cada uno de los aisladores para en función de esta determinar las dimensiones aproximadas de los componentes del aislador. Kd Qd Kv (mm) kN/mm kN/mm kN/mm (mm) kN 305 0,2-0,9 0-65 >50 150 450 355 0,2-1,2 0-65 >100 150 700 405 0,3-1,6 0-110 >100 200 900 455 0,3-2,0 0-110 >100 250 1150 520 0,4-2,3 0-180 >200 300 1350 570 0,5-2,8 0-180 >500 360 1800 650 0,5-3,5 0-220 >700 410 2700 700 0,5-4,2 0-220 >800 460 3100 750 0,7-4,7 0-265 >900 460 3600 800 0,7-5,3 0-265 >1000 510 4000 850 0,7-6,1 0-355 >1200 560 4900 900 0,7-6,1 0-355 >1400 560 5800 950 0,7-6,1 0-490 >1800 610 6700 1000 0,8-6,3 0-490 >1900 660 7600 1050 0,9-6,3 0-580 >2100 710 8500 1160 1,1-6,5 0-665 >2800 760 13800 1260 1,2-6,7 0-755 >3700 810 20500 1360 1,4-7,0 0-890 >5100 860 27600 1450 1,6-7,2 0-1025 >5300 910 33400 1550 1,8-7,4 0-1025 >6500 910 40000 Dmax Pmax PROPIEDADES DISEÑO Do
  58. 58. 36 Figura 2.27 Identificación de la nomenclatura utilizada en las tablas 2.1 y 2.2 Las tablas presentadas fueron reproducidas del catálogo proporcionado por el fabricante de estos sistemas de aislación y protección sísmica, “Dynamic Isolation Systems” empresa norteamericana con más de 30 años de experiencia, por lo que para el desarrollo de esta investigación, la utilización de estos datos iniciales, garantiza los resultados finales obtenidos.
  59. 59. 37 CAPÍTULO 3 CRITERIOS DE DISEÑO Y DIAGRAMA DE HISTÉRESIS 3.1 SISMOS DE ANÁLISIS La amenaza sísmica incluye efectos directos tales como: ruptura y vibración del terreno, licuefacción del suelo, desprendimientos de tierra, asentamientos diferenciales y efectos indirectos como maremotos, incendios y deslizamientos entre otros. Cada uno de estos efectos puede producir daños que afecten el nivel de desempeño deseado para una estructura. El alcance de los efectos, y como estas amenazas pueden afectar el desempeño de la estructura, depende de la magnitud del sismo, la distancia a la fuente, la dirección de la propagación de la ruptura de falla, y las características geológicas de la localidad y la región. Para permitir aplicaciones prácticas de diseño basado en desempeño, es necesario seleccionar una serie de eventos sísmicos discretos que pueden ocurrir y que representan el rango de severidad sísmica para un desempeño particular deseado de una estructura. A estos eventos sísmicos se los denomina sismos de diseño cuya definición puede variar dependiendo del sitio donde se va a emplazar la estructura, así como también de la sismicidad de la región y de los niveles social y económicamente aceptables del daño tolerable en las estructuras, lo cual depende de las instituciones responsables, los propietarios y los usuarios de la misma (Bertero 1997). 3.1.1 Diseño basado en el desempeño sísmico El diseño basado en el desempeño sísmico en forma general consiste en la selección de apropiados esquemas de evaluación que permitan el dimensionado y detallado de los componentes estructurales, no estructurales y del contenido, de manera que para un nivel de movimiento especificado y con diferentes niveles de confiabilidad la estructura no debería ser dañada más allá de ciertos estados límites. (Bertero 1995). El objetivo es desarrollar métodos que permitan concebir diseñar,
  60. 60. 38 construir y mantener edificaciones que sean capaces de exhibir un desempeño predecible, cuando son afectadas por sismos. El desempeño se cuantifica en términos de la cantidad de daño sufrido en un edificio afectado por un sismo y el impacto que tienen estos daños en las actividades posteriores al evento sísmico. El desempeño sísmico de edificaciones queda definido sobre la base de los siguientes conceptos:  Nivel de desempeño  Nivel de amenaza  Desempeño esperado 3.1.1.1 Nivel de desempeño El nivel de desempeño define un estado límite de daño, este representa una condición limite o tolerable establecida en función de los posibles daños físicos sobre la edificación, la amenaza sobre la seguridad de los ocupantes de la edificación inducidos por estos daños y la funcionalidad de la edificación posterior al terremoto. Es una expresión de la máxima extensión del daño donde se considera la condición de los elementos estructurales y de los no estructurales así como también del su contenido. PROPUESTA COMITÉ VISION 2000 En esta propuesta define cuatro niveles de desempeño identificados como a continuación se indica: A. Totalmente operacional B. Operacional C. Seguridad D. Pre-colapso
  61. 61. 39 Tabla 3.1 Estados de daño y niveles de desempeño. (SEAOC 1995) Estado de daño Nivel de desempeño Características principales Despreciable Totalmente operacional Daño estructural y no estructural despreciable o nulo, las instalaciones continuando prestando sus servicios y funciones después del sismo. Ligero Operacional Daños ligeros, las instalaciones esenciales continúan en servicio y las no esenciales pueden sufrir interrupciones de inmediata recuperación. Moderado Seguridad Daños moderados, la estructura sufre daños pero permanece estable, seguridad de ocupantes, algunos elementos no estructurales pueden dañarse. Severo Pre-colapso Daño estructural severo, en la proximidad del colapso estructural, falla de elementos no estructurales, seguridad de ocupantes comprometida. Completo Colapso Colapso estructural. PROPUESTA ATC-40 Especifica separadamente el nivel de desempeño para la estructura y para los elementos no estructurales y la combinación de estos conduce a definir el nivel de desempeño. -Nivel de desempeño para la estructura:
  62. 62. 40 Tabla 3.2 Estados de daño y niveles de desempeño estructura. ATC-40 Denominación Nivel de desempeño Características principales SP-1 Inmediata ocupación Resiste a cargas verticales y laterales, no se altera, daño estructural limitado, no existe peligro, funcionalidad total SP-2 Daño controlado Varía entre condiciones límite de inmediata ocupación y seguridad, los ocupantes no corren peligro con afectación mínima. SP-3 seguridad Daño significativo a la estructura, los elementos estructurales se mantienen, amenaza a la vida de los ocupantes, incluso puede haber afectados, costos elevados en reparaciones. SP-4 Seguridad limitada Varia ente condiciones límite de seguridad y estabilidad estructural, alto peligro para ocupantes. SP-5 Estabilidad estructural Limite al colapso parcial o total, daño sustancial, degradación de rigidez y resistencia del sistema resistente a cargas horizontales, elevado peligro a ocupantes, elevado peligro en caso de réplicas, reparaciones estructurales significativas. SP-6 No considerado No es un nivel de desempeño, solo se incluye una evaluación sísmica de los componentes no estructurales, solo considera el desempeño de elementos no estructurales. -Nivel de desempeño elementos no estructurales.
  63. 63. 41 Tabla 3.3 Estados de daño y niveles de desempeño elementos no estructura. ATC-40 Denominación Nivel de desempeño Características principales NP-A Operacional Permanecen sin daño, equipos y maquinarias en funcionamiento, servicios externos pueden fallar NP-B Inmediata ocupación Pequeñas interrupciones que no comprometen su funcionamiento, seguridad para los ocupantes. NP-C Seguridad Considerable daño, no colapso e interrupción, falla en equipamiento y maquinaria, peligro a la vida bajo. NP-D Amenaza Importante daño, sin colapso peligro a la vida es alto NP-E No considerado No es un nivel de desempeño, solo se incluye una evaluación sísmica de los componentes estructurales, solo considera el desempeño de elementos estructurales. -Nivel de desempeño de la edificación. Se los obtiene de la adecuada combinación de los niveles de desempeño de la estructura y de los componentes no estructurales
  64. 64. 42 Tabla 3.4 Niveles de desempeño de la edificación. ATC-40 (1996) SP-1 Inmediata ocupación SP-2 Daño controlado (rango) SP-3 Seguridad SP-4 Seguridad limitada (rango) SP-5 Estabilidad estructural SP-6 No considerado NP-A Operacional 1-A Operacional 2-A NR NR NR NR NP-B Inmediata ocupación 1-B Inmediata ocupación 2-B 3-B NR NR NR NP-C Seguridad 1-C 2-C 3-C Seguridad 4-C 5-C 6-C NP-D Amenaza NR 2-D 3-D 4-D 5-D 6-D NP-E No considerado NR NR 3-E 4-E 5-E Estabilidad estructural No aplicable NR: No recomendable Estos niveles de desempeño obtenidos se describen a continuación:
  65. 65. 43 Tabla 3.5 Niveles de desempeño de la edificación para elementos estructurales y no estructurales. ATC-40 Denominación Nivel de desempeño Características principales 1-A Operacional Daños limitados en componentes estructurales, sistemas y elementos estructurales funcionan, las reparaciones no perturban las funcione, seguridad de los ocupantes, servicios funcionales. 1-B Inmediata ocupación Criterio para edificaciones esenciales, espacios, sistemas y equipamientos permanecen utilizable, servicios primarios en funcionamiento, seguridad de los ocupantes. 3-C Seguridad vital Baja probabilidad de atentar contra la vida, nivel de desempeño a alcanzar con los actuales códigos, daños limitados en los componentes estructurales, eventual falla de elementos no estructurales siempre que no se atente contra la vida de los usuarios. 5-E Estabilidad estructural No queda reserva del sistema resistente a carga lateral que permita soportar una réplica, solo existe cierta capacidad del sistema resistente a cargas verticales, peligro a la vida es muy alto, exige el desalojo de la edificación. PROPUESTA CODIGO ECUATORIANO NEC-11 Establece tres niveles de desempeño ante tres sismos de análisis para todas las estructuras:
  66. 66. 44  Nivel de servicio (sismo menor): sismo de servicio, periodo de retorno 72 años, se espera que no ocurra ningún daño tanto en los elementos estructurales como en los no estructurales.  Nivel de daño (sismo moderado): sismo ocasional, periodo de retorno de 72 años se espera una seguridad de vida, protección de los ocupantes, funcionalidad de las estructuras, la estructura debe trabajar en el límite de sus capacidad resistente elástica, es decir la estructura como tal no sufre daño pero si hay daño en los elementos no estructurales.  Nivel de colapso (sismo severo): sismo de diseño periodo de retorno de 475 años, se aplica este nivel de desempeño a las estructuras esenciales o de ocupación especial, el objetivo principal es la prevención del colapso, se espera incursiones en el rango inelástico, experimentando daño pero en ningún momento la edificación llega al colapso, se espera daño en los elementos estructurales, y un daño considerable en los elementos no estructurales. Tabla 3.6 Niveles de desempeño de la edificación Nivel de desempeño estructural (prevención) Elementos estructurales Elementos no estructurales Servicio Ningún daño Ningún daño Daño Ningún daño Daño Colapso Cierto grado de daño Daño considerable. 3.1.1.2 Desempeño esperado en la edificación. Describe un comportamiento sísmico que puede ser satisfactorio para una edificación sometida a movimientos sísmicos de diferentes intensidades.
  67. 67. 45 El desempeño esperado está íntimamente ligado a la definición de los niveles de amenaza sísmica, los cuales pueden ser expresados en forma probabilística o determinística. En los enfoques probabilísticos, se especifica un nivel de movimiento asociado con una probabilidad de ocurrencia, y en los enfoques deterministas, se considera un movimiento máximo esperado para un evento, con una magnitud dada y asociado a una fuente especifica. Convencionalmente estos movimientos para fines de diseño se especifican mediante parámetros, como son: la intensidad macro sísmica, aceleraciones pico, los espectros de respuesta, etc., estos relacionados con el periodo medio de retorno o bien con la probabilidad de excedencia. El periodo medio de retorno es una expresión del periodo del tiempo medio, en años, entre la ocurrencia de sismos que producen efectos del mismo nivel de severidad. La probabilidad de excedencia es una representación estadística de la posibilidad que las consecuencias de un sismo excedan un nivel de efectos determinados en un tiempo específico de exposición, en años. El periodo medio de retorno y la probabilidad de excedencia se relacionan directamente mediante la siguiente expresión: 𝑇 = 𝑡 ln⁡(1 − 𝑝) Donde 𝑇⁡es el periodo medio de retorno, en años; 𝑝 es la probabilidad de excedencia; 𝑡 es el tiempo de exposición, en años. PROPUESTA COMITÉ VISION 2000 Define cuatro niveles de amenaza sísmica: (3.1)
  68. 68. 46 Tabla 3.7 Niveles de movimiento sísmico SEAOC. 1995 Nivel del movimiento sísmico Periodo medio de retorno T (años) Probabilidad de excedencia (p,t) Frecuente 43 años 50% en 30 años Ocasional 72 años 50% en 50 años Raro 475 años 10% en 50 años Muy Raro 970 años 10% en 100 años El desempeño esperado de las edificaciones establece los requerimientos mínimos sobre el desempeño sísmico ante los diferentes niveles de amenaza. La Tabla 3.8 presenta los niveles recomendados de desempeño esperados para edificaciones, conforme a su clasificación de acuerdo al uso y ocupación en instalaciones de seguridad critica, instalaciones esenciales o riesgosas e instalaciones básicas. Tabla 3.8 Niveles recomendados de desempeños esperados (SEAOC. 1995) 1.- Instalaciones Básicas Nivel de Desempeño Sísmico 2.- Instalaciones esenciales/Riesgosas Totalmente Operacional Operacional Seguridad Colapso3.- Instalaciones de Seguridad Critica 0.- Desempeño Inaceptable NiveldelMovimientoSísmico Frecuente (T=43 años) 1 0 0 0 Ocasional (T=72 años) 2 1 0 0 Raro (T=475 años) 3 2 1 0 Muy Raro (T=970 años) - 3 2 1
  69. 69. 47 PROPUESTA ATC-40 Se definen tres niveles de amenaza correspondiente a movimientos sísmicos identificados como: Sismo de servicio (SS).- corresponde a movimientos de baja a moderada intensidad, de ocurrencia frecuente, generalmente asociados con un 50% de probabilidad de ser excedido en un periodo de 50 años, con un periodo medio de retorno de aproximadamente 72 años, de manera que puede llegar a ocurrir varias veces durante la vida útil de una edificación. En base a los resultados de peligrosidad típicos de una localización determinada, este movimiento representa aproximadamente la mitad del nivel de movimiento asociado al sismo de diseño tradicionalmente especificado en los códigos, por tratarse de sismos más frecuentes y de menor severidad. Sismo de Diseño (SD).- correspondiente a movimientos de moderada a severa intensidad, de ocurrencia poco frecuente, generalmente asociados con un 10% de probabilidad de ser excedido en un periodo de 50 años, con un periodo medio de retorno de aproximadamente 475 años. Este corresponde con el nivel de movimiento tradicionalmente especificado por la mayoría de los códigos de diseño para edificaciones convencionales y se espera que ocurra al menos una vez en la vida útil de una edificación. Sismo Máximo (SM).- correspondiente a movimientos de intensidad entre severos o muy severos, de muy rara ocurrencia, generalmente asociados con un 5% de probabilidad de ser excedido en un periodo de 50 años, con un periodo medio de retorno de aproximadamente 975 años. Este corresponde con el nivel de movimiento tradicionalmente especificado por los códigos de diseño para edificaciones esenciales y representa cerca de 1.25 a 1.5 veces el nivel de movimiento asociado al sismo de diseño tradicionalmente especificado, en consecuencia esta relación se asocia con el factor de importancia de las edificaciones esenciales, por tratarse de sismos menos frecuentes de mayor severidad.
  70. 70. 48 Tabla 3.9 Niveles de movimiento sísmico. ATC-40 Nivel de amenaza Sismo Probabilidad de excedencia en 50 años Periodo de retorno (años) Tasa de excedencia (1/T) 1 De servicio SS 50% 72 0.01389 2 De Diseño SD 10% 475 0.00211 3 Máximo SM 5% 975 0.00102 PROPUESTA CODIGO ECUATORIANO NEC-11 Se clasifican los sismos según los niveles de peligro y periodo medio de retorno: Tabla 3.10 Niveles de movimiento sísmico Nivel de amenaza Sismo Probabilidad de excedencia en 50 años Periodo de retorno (años) Tasa de excedencia (1/T) 1 Frecuente (menor) 50% 72 0.01389 2 Ocasional (moderado) 20% 225 0.00444 3 Raro (severo) 10% 475 0.00211 4 Muy raro (extremo) 2% 2500 0.00040 3.1.1.3 Consideraciones para edificaciones esenciales El enfoque descrito en el análisis del diseño basado en el desempeño sísmico puede ser adaptado al diseño y la evaluación de cualquier tipo de edificación, para el caso de edificaciones esenciales se tiene que definir razonables niveles de desempeño
  71. 71. 49 esperado compatibles con los niveles de respuesta deseados, que se esperan que estas instalaciones alcancen ante movimientos sísmicos de diferentes intensidades. En estas edificaciones es fundamental el mantenimiento de sus funciones antes, durante y después de un evento sísmico, esta condición exige ampliar los conceptos de desempeño estructural utilizados en edificaciones convencionales. A continuación se presenta una equivalencia de los niveles de desempeño esperados para edificaciones esenciales establecidos por las principales guías de diseño de este tipo de instalaciones, tomando como base la propuesta ATC-40 (1996): Tabla 3.11 Niveles de desempeño esperado para edificaciones esenciales ATC-40 (1996) Nivel de movimiento del terreno Recomendaciones de diseño Visión 2000 Triservices Essential * California Hosp/Essent.** VA Hospital *** Servicio (SS) 1ª 1B Diseño (SD) 1B 1B Máximo (SM) 3C 3C 5E 1ª * Propuesta código sísmico Triservis 1986 ** Propuesta CBSC 1995 *** Propuesta VA 1986 Se aprecia una importante discrepancia en las recomendaciones del nivel de desempeño esperado propuestos por las guías citadas, lo que en su momento puso de manifiesto la falta de consenso y la necesidad de alcanzar objetivos para lograr un nivel de seguridad razonable para este tipo de edificaciones.
  72. 72. 50 Actualmente se dispone de metodologías que permiten lograr que una edificación se diseñe y construya de forma que cumpla los requerimientos de desempeño más restrictivos y exigentes, por lo que es necesario definir en las edificaciones esenciales los objetivos de diseño o los niveles de desempeño esperado en la edificación compatibles con los niveles de importancia de estas instalaciones y que el diseño basado en el desempeño sísmico constituye el método adecuado para su implementación. PROPUESTA CODIGO ECUATORIANO NEC-11 Se deberá limitar los daños estructurales buscando elevar el nivel de protección y propendiendo a que las estructuras puedan mantenerse operacionales aun después de la ocurrencia del sismo de diseño, se considera dos tipos de estructuras las de ocupación esencial y las de ocupación especial.  Estructuras de ocupación especial: se deberá verificar un correcto desempeño sísmico en el rango inelástico que impida el colapso de la estructura (nivel de prevención de colapso) ante un terremoto de 2500 años de periodo de retorno.  Estructuras esenciales: se deberá verificar un correcto desempeño sísmico en el rango inelástico, para limitación del daño que corresponde a un nivel de seguridad de vida ante un sismo de 475 años de periodo de retorno y para el no colapso que corresponde a un nivel de prevención de colapso ante un sismo de 2500 años de periodo de retorno 3.2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Para el análisis y diseño de los aisladores elastoméricos es importante determinar el comportamiento que tendrán estos dentro de un rango en lo referente a sus propiedades mecánicas, en Aguiar (2013) se establece una metodología de cálculo tanto para obtener las propiedades dinámicas del aislador elastomérico como para el diseño del mismo, la utilización de los valores mínimos y máximos, limites superior e inferior respectivamente de las propiedades mecánicas de los materiales que forman parte de un aislador elastomérico.
  73. 73. 51 En la Figura 3.1 se presentan los resultados de ensayar varios tipos de goma (caucho) para diferentes deformaciones en donde se aprecia que para una deformación dada se obtiene un valor mínimo que en la gráfica se denomina “LB” y un valor máximo denominado “UB”, en el análisis se considera dos casos en lugar de trabajar con un valor promedio. La Figura 3.1 corresponde a módulo de corte de la goma pero algo similar se obtiene con el resto de materiales parte del aislador elastomérico y se debe proceder de forma similar. Figura 3.1 Resultados de ensayos para determinar el módulo de corte de la goma. Las propiedades del límite superior definen los máximos valores de la fuerza característica y la rigidez post-elástica que pueden ocurrir durante el tiempo de vida de los aisladores y considerando los efecto de envejecimiento, contaminación, temperatura e historia de carga y movimientos. Las propiedades del límite inferior definen los mínimos valores de la fuerza característica y la rigidez post-elástica que pueden ocurrir durante el tiempo de vida
  74. 74. 52 de los aisladores. Comúnmente los valores del límite inferior describen el comportamiento de los aisladores sin envejecimiento y a temperatura normal. Es importante que cuando se esté realizando el diseño de los aisladores se cuente con la información necesaria la cual debe ser proporcionada por los productores y fabricantes de aisladores sísmicos lo cual permitirá conocer el comportamiento real y probado de sus productos. (Constantinou, Kalpakidis, Filiatrault, & Ecker Lay, 2011) 3.3 ECUACIÓN DIFERENCIAL DEL MOVIMIENTO En la Figura 3.2 (a) se presenta una estructura de un vano y de un pisos en la cual se ha colocado aisladores sísmicos sobre la cimentación, los mismos que van a ser modelados como elementos cortos como se indica en la Figura 3.2 (b). La estructura se modela como un sistema de dos grados de libertad, el primer grado corresponde al desplazamiento de la base q1, y el segundo es el desplazamiento del primer piso q2 como se muestra en la Figura 3.2. Figura 3.2 Estructura con aisladores sísmicos modelados como elementos cortos sistema con dos grados de libertad. a) b) Es importante destacar la necesidad de construir una losa de aislación en la planta baja para que toda la estructura se mueva uniformemente. En base al modelo
  75. 75. 53 indicado en la Figura 3.2 (b) el análisis sísmico se lo realiza de la forma tradicional, esto es trabajando con coordenadas absolutas. Es importante destacar que existen otros métodos de análisis en los cuales se trabajan con coordenadas relativas los cuales han conducido a la formulación de métodos como el denominado de masa corregida, método cuasiestatico y método dinámico exacto. De la Llera. et al (2005). Para aisladores elastoméricos la Ecuación diferencial del Movimiento considerando a estos como elementos cortos, es la siguiente: 𝑀𝑞̈ + 𝐶𝑞̈ + 𝐾𝑞 = −𝑀𝑏𝑎(𝑡) Donde 𝑀, 𝐶, 𝐾, son las matrices de masas, amortiguamiento, y rigidez de una estructura con aisladores de base; 𝑞, 𝑞̇, 𝑞̈, son los vectores de desplazamiento, velocidad y aceleración; 𝑏, es el vector que relaciona el movimiento del suelo con los grados de libertad de la estructura; 𝑎(𝑡), es la aceleración del suelo. 𝑀𝑐 = [ 𝑚 𝑏 + 𝑚 𝑠 𝑚 𝑠 𝑚 𝑠 𝑚 𝑠 ] Donde 𝑚 𝑏 es la masa del sistema de aislamiento, 𝑚 𝑠 es la masa de la superestructura con base empotrada. 𝐶𝑐 = [ 𝑐 𝑏 0 0 𝑐 𝑠 ] Donde 𝑐 𝑠 es el amortiguamiento de la superestructura, 𝑐 𝑏 es el amortiguamiento del sistema de aislación. 𝐾𝑐 = [ 𝑘 𝑏 0 0 𝑘 𝑠 ] Donde 𝑘 𝑠 es la rigidez de la superestructura con base empotrada, 𝑘 𝑏 es la rigidez del sistema de aislación. Y Para el caso de análisis sísmico en sentido horizontal y para el sistema de dos grados de libertad. 𝑏 = [ 1 0 ] (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) (3.6)
  76. 76. 54 3.4 MODELO CONSTITUTIVO Los modelos matemáticos utilizados para la representación de la relación que hay en un sistema de masas entre la fuerza y el desplazamiento en una secuencia (aleatoria en eventos sísmicos) de carga y descarga reciben el nombre de modelos histeréticos. Para una secuencia progresiva de cargas y descargas, la curva esquemática es la línea que une los puntos pico en la curva carga-deflexión. Asimismo, la curva que se obtiene bajo las inversiones de signos de la fuerza se llama curva de histéresis; esta curva se afecta significativamente por los materiales y el tipo estructural. Una clasificación de este tipo de modelos es la que se basa en la presencia o no de pérdida de la capacidad disipativa, a partir de ahí, se pueden distinguir los modelos degradantes y los no degradantes. Los modelos degradantes son utilizados en elementos estructurales de concreto reforzado de estructuras convencionales. Entre los modelos no degradantes más simples se encuentran los bilineales, éstos han sido utilizados extensamente para estructuras de acero y de concreto armado. Este modelo consta de las siguientes características, considera dos rigideces, la elástica y la de fluencia; las pendientes de descarga y de carga en reversa, es la misma de la etapa elástica. Según la Figura 3.3, la disipación de energía en este modelo varía dependientemente respecto a las deformaciones, es decir, para deformaciones de amplitudes altas se tiene mucha disipación de energía, y para amplitudes bajas no se considera disipación de energía histerética.
  77. 77. 55 Figura 3.3 Modelos degradantes y no degradantes a) Elastoplástico perfecto b) Bilineal El modelo que ha sido más aceptado para la investigación y diseño de una estructura con aisladores de base es el modelo bilineal, esto se debe a que caracteriza las propiedades mecánicas de los aisladores adecuadamente tanto para aisladores elastoméricos como para aisladores de fricción. Figura 3.4 Modelos bilineal de histéresis de un aislador sísmico
  78. 78. 56 3.4.1 Parámetros que definen un modelo bilineal de un aislador sísmico Para desarrollar el modelo bilineal de histéresis de un aislador sísmico, se deben definir tres parámetros básicos. 1. Rigidez Elástica 𝐾𝑒 2. Rigidez Post-fluencia Kd 3. Fuerza Característica Qd La rigidez elástica Ke se puede estimar de un ciclo de histéresis en la realización de pruebas o ensayos en apoyos elastoméricos o como un múltiplo de la rigidez a la post-fluencia, se denomina Kp, para apoyos con núcleo de plomo. La fuerza característica Qd, también se puede estimar de un ciclo histerético producido en los apoyos elastoméricos. Para los apoyos con núcleo de plomo, Qd se obtiene del esfuerzo de fluencia del plomo. La rigidez a la post-fluencia, Kd, puede ser estimada mediante ensayos experimentales. La rigidez efectiva Kef, se puede encontrar en un ciclo de histéresis como la pendiente secante de extremo a extremo, y se define como la fuerza máxima que produce un desplazamiento máximo en un aislador. De la Figura 3.4 se puede deducir las siguientes expresiones: Fuerza de Fluencia: 𝐹𝑦 = 𝐾𝑒 𝑞 𝑦 Fuerza Máxima: 𝐹𝑚𝑎𝑥 = 𝑄 𝑑 + 𝐾𝑑 𝑞 𝑚𝑎𝑥 Donde 𝑞 𝑚𝑎𝑥 es el desplazamiento máximo de diseño del aislador (3.7) (3.8)

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