1. Aislación Sísmica de un Edificio de Oficinas de Siete
Pisos. (Análisis Comparativo de Comportamiento y
Costos con un Edificio Tradicional).
Tesis presentada para optar al titulo
de Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor Patrocinante
José Soto Miranda
Ingeniero Civil
Profesor Informante
Adolfo Castro Bustamante
Ingeniero Civil
Profesor Informante
Eduardo Peldoza Andrade
Ingeniero Civil
Jaime Andrés Arriagada Rosas
Valdivia – Chile
2005

2. Y así, después de esperar tanto, un día como cualquier otro decidí triunfar…decidí no
esperar a las oportunidades sino yo mismo buscarlas, decidí ver cada problema como la
oportunidad de encontrar una solución, decidí ver cada desierto como la oportunidad de
encontrar un oasis, decidí ver cada noche como un misterio a resolver, decidí ver cada día
como una nueva oportunidad de ser feliz.
Aquel día descubrí que mi único rival no era más que mis propias debilidades, y que
enfrentarlas es la única y mejor forma de superarme. Descubrí que no era yo el mejor y que
quizás nunca lo fuera, y me dejó de importar quién ganara o perdiera; ahora me importa
simplemente saberme mejor que ayer.
Aprendí que lo difícil no es llegar a la cima, sino jamás dejar de subir. Aprendí que el
mejor triunfo que puedo tener, es tener el derecho de llamar a alguien: “Amigo”.
Descubrí que “el amor es una filosofía de vida”.
Aquel día dejé de ser un reflejo de mis escasos triunfos pasados y empecé a ser mi propia
tenue luz de este presente.
Aprendí que de nada sirve ser luz si no vas a iluminar el camino de los demás.
Walt Disney
“En este momento espero sientas que éste
logro es tan tuyo como mío, y de manera muy
sencilla es un reconocimiento a tu sacrificio
y esfuerzo; gracias por acompañarme en las
tristezas, dificultades, alegrías y desafíos.
Para ti mamá con todo el amor de un
hijo agradecido y orgulloso de ti…..”

3. ÍNDICE GENERAL
Índice General...................................................................................................... i
Índice Tablas........................................................................................................ iv
Índice de Figuras.................................................................................................. vii
Índice de Ecuaciones............................................................................................ xiii
Índice de Anexos.................................................................................................. xvi
Resumen............................................................................................................... xvii
Summary.............................................................................................................. xvii
Capitulo I Introducción
1.1. Antecedentes Generales.......................................................................... 1
1.1.1. Ingeniería Sísmica........................................................................ 2
1.1.2. Costos Económicos en Edificios Producidos por Sismos............ 3
1.2. Objetivos y Alcances.............................................................................. 8
1.2.1. Objetivo Generales...................................................................... 8
1.2.2. Objetivos Específicos.................................................................. 8
1.2.3. Alcances...................................................................................... 8
1.3. Metodología........................................................................................... 9
Capitulo II Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal 11
2.1. Antecedentes Generales.......................................................................... 11
2.2. Tipos de Aislación Basal........................................................................ 12
2.2.1. Aislador Elastomérico Convencional.......................................... 14
2.2.1.1.Aislador Elastomérico de Bajo Amortiguamiento (LDB)..... 14
2.2.1.2.Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento (HDR)..... 15
2.2.2. Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo (LRB).................. 16
2.2.3. Aislador Péndulo Friccional........................................................ 16
2.2.4. Experiencia Mundial y Chilena................................................... 17
i

4. Capitulo III Caracterización Estructural del Edificio 20
3.1. Caracterización Estructural del Edificio Tradicional.......................... 20
3.2. Caracterización Estructural del Edificio Aislado................................ 26
3.3. Modelación Computacional en SAP2000........................................... 29
3.3.1. Antecedentes Generales........................................................... 29
3.3.2. Modelación de la Estructura Convencional............................. 30
3.3.3. Modelación de la Estructura Aislada....................................... 32
Capitulo IV Análisis y Diseño de la Estructura
Convencional 34
4.1. Análisis Modal Tridimensional de la Estructura Según NCh 433 Of.
96......................................................................................................... 34
4.2. Diseño de la Estructura Tradicional Según Código ACI 318-02........ 48
Capitulo V Norma de Aislamiento Basal, una Nueva
Filosofía de Diseño 55
5.1. Antecedentes Generales...................................................................... 55
5.2. Filosofía de Diseño de la NCh 2745 Of 2003..................................... 56
5.3. Procedimientos de Análisis................................................................. 58
5.4. Aplicaciones Generales de la NCH 2745 al Edificio Vanguardia...... 60
Capitulo VI Aislamiento Basal de la Estructura 63
6.1. Condiciones Generales en el Diseño de la Aislación Basal................ 63
6.2. Estudio de Alternativas de Aislación Basal Para la Estructura.......... 64
6.2.1. Diseño de los Sistemas de Aislación....................................... 64
6.2.2. Diseño del Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento
(HDR)....................................................................................... 65
6.2.2.1.Procedimiento de Diseño de un Aislador........................... 65
6.2.2.2.Diseño del Aislador............................................................ 73
6.2.3. Diseño del Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo
(LRB)....................................................................................... 79
ii

5. 6.2.3.1.Procedimiento de Diseño de un Aislador........................... 79
6.2.3.2.Diseño del Aislador............................................................ 87
6.2.4. Diseño del Aislador de Péndulo Friccional (FPS)................... 96
6.2.4.1.Procedimiento de Diseño de un Aislador.......................... 96
6.2.4.2.Diseño del Aislador........................................................... 100
6.2.5. Propiedades de la Modelación Bilineal................................... 103
Capitulo VII Análisis y Diseño de la Estructura Aislada 114
7.1. Análisis Dinámico No Lineal de la Estructura................................... 114
7.1.1. Definición de Registros............................................................ 115
7.1.2. Resultados del ADNL Aplicado al Edificio Vanguardia......... 116
7.1.2.1.Verificación y Elección del Sistema de Aislación............. 117
7.1.2.1.1. Desplazamiento del Sistema de Aislación............. 125
7.1.2.1.2. Desplazamiento Relativo de la Superestructura..... 127
7.1.2.1.3. Aceleraciones Absolutas en la Superestructura..... 133
7.1.2.1.4. Corte Basal de la Superestructura.......................... 138
7.1.2.2.Comparación de Comportamiento de Estructura
Convencional Versus Estructura Aislada........................... 144
7.1.2.2.1. Desplazamientos Relativos de la Estructura
Aislada y Base Fija................................................ 145
7.1.2.2.2. Aceleración Absoluta de la Estructura Aislada y
Base Fija................................................................. 152
7.1.2.2.3. Corte Basal de la Estructura Aislada y Base Fija... 158
7.2. Diseño de la Estructura Aislada.......................................................... 164
Capitulo VIII Estudios Comparativo de Costos del
Edificio Vanguardia 180
8.1. Antecedentes Generales....................................................................... 180
8.2. Estimación de Costos Totales del Edificio Vanguardia
Convencional Versus Edificio Vanguardia Aislado........................... 181
8.2.1. Estimación de Costos Directos del Edificio Vanguardia
Convencional Versus Edificio Vanguardia Aislado................ 182
8.2.2. Estimación de Costos Indirectos del Edificio Vanguardia
Convencional Versus Edificio Vanguardia Aislado................ 186
iii

6. Capitulo IX Conclusiones 191
Bibliografía 195
199
Anexo A Antecedentes Sobre la Aislación Basal
Anexo B Detalles y Configuración del Edificio Vanguardia 217
Anexo C Respuesta del Edificio Vanguardia Aislado para el
Registro de Llolleo 227
iv

7. INDICE TABLAS
Capitulo I Introducción
Tabla 1.1 Pérdidas económicas producidas por diferentes terremotos
en Centroamérica............................................................................ 6
Tabla 1.2 Costos producidos por el terremoto de 1999 en Colombia............. 7
Tabla 1.3 Pérdidas económicas directas producidas por diferentes
terremotos en el mundo durante los años 1972 – 1990.................. 7
Capitulo IV Análisis y Diseño de la Estructura Convencional 34
Tabla 4.1 Presiones básicas de viento........................................................... 34
Tabla 4.2 Valor aceleración efectiva............................................................ 35
Tabla 4.3 Parámetros Sísmicos..................................................................... 35
Tabla 4.4 Coeficiente de importancia........................................................... 35
Tabla 4.5 Períodos del Edificio Vanguardia................................................. 38
Tabla 4.6 Distribución en altura del corte basal........................................... 40
Tabla 4.7 Deformaciones entrepisos o drift para Edificio Vanguardia
dirección X.................................................................................. 41
Tabla 4.8 Deformaciones entrepisos o drift para Edificio Vanguardia
dirección Y.................................................................................. 42
Tabla 4.9 Esfuerzos para Elementos Edificio Vanguardia........................... 42
Tabla 4.10 Resumen de áreas de acero y armaduras de los elementos del
Edificio Vanguardia...................................................................... 49
Capitulo V Norma de Aislamiento Basal, una Nueva Filosofía de 55
Diseño
Tabla 5.1 Definición parámetros de espectro de diseño, según NCh 2745
Of 2003.......................................................................................... 59
Tabla 5.2 Parámetros necesarios definir para estructuras aisladas definidas
en la NCh 2745 Of 2003................................................................ 61
v

8. Capitulo VII Análisis y Diseño de la Estructura Aislada 114
Tabla 7.1 Características de los Registros usados en el análisis de historia
en el tiempo.................................................................................... 116
Tabla 7.2 Resultados del análisis modal del Edificio Vanguardia con el
sistema HDR.................................................................................. 117
Tabla 7.3 Resultados del análisis modal del Edificio Vanguardia con el
sistema Mixto................................................................................. 120
Tabla 7.4 Resultados del análisis modal del Edificio Vanguardia con el
sistema FPS.................................................................................... 122
Tabla 7.5 Deformaciones del sistema de aislación para el registro de
Melipilla......................................................................................... 125
Tabla 7.6 Valores de deformación relativa respecto al suelo para los
distintos niveles del Edificio Vanguardia con cada sistema
de aislación..................................................................................... 126
Tabla 7.6 Valores máximos de drift por cada nivel del Edificio Vanguardia
aplicado el registro de Melipilla..................................................... 128
Tabla 7.6 Valores máximos de aceleraciones absolutas por cada nivel
del Edificio Vanguardia aplicado el registro de Melipilla............. 132
Tabla 7.7 Valores máximos de cortes basales por cada nivel del Edificio
Vanguardia aplicado el registro de Melipilla................................. 137
Tabla 7.8 Valores Máximos de Drift del Edificio Vanguardia Base Fija y
Factores de Reducción por Nivel Respecto al Edificio
Aislado........................................................................................... 142
Tabla 7.9 Valores Máximos de Aceleraciones Absolutas del Edificio
Vanguardia Base Fija, y Factores de Reducción por Nivel
Respecto al Edificio Aislado....................................................... 151
Tabla 7.10 Valores Máximos de Esfuerzos de Corte del Edificio
Vanguardia Base Fija, y Factores de Reducción por
Nivel Respecto al Edificio Aislado............................................. 157
Tabla 7.11 Resultado del esfuerzo de Corte para Análisis Espectral
del Edificio Vanguardia.............................................................. 162
Tabla 7.12 Desplazamientos de entrepisos para el Edificio Vanguardia
y Limites..................................................................................... 165
Tabla 7.13 Resultados de Esfuerzos para el Edificio Vanguardia según
Nivel con Análisis Espectral de la NCh 2745............................. 166
vi

9. Tabla 7.14 Resultados de Cuantías para el Edificio Vanguardia según
Nivel, con Análisis Espectral de la NCh 2745 y sus
Correspondientes Armaduras...................................................... 172
Tabla 7.15 Resultados de Cuantías para Pilares Reducidos del Edificio
Vanguardia según Nivel con Análisis Espectral de la NCh
2745 y sus Correspondientes Armaduras.................................... 178
Capitulo VIII Estudios Comparativo de Costos del Edificio 180
Vanguardia
Tabla 8.1 Resumen de Cubicaciones de la Obra Gruesa del Edificio
Vanguardia Convencional y Aislado............................................. 182
Tabla 8.2 Precios Unitarios para Aisladores.................................................. 184
Tabla 8.3 Resumen de Costos Directos del Edificio Vanguardia
Convencional Versus Aislado........................................................ 184
Tabla 8.4 Determinación de los costos por concepto de daños de la
estructura del edificio Vanguardia................................................. 189
Tabla 8.5 Determinación de los costos por concepto de daños y perdidas de
contenidos del edificio Vanguardia............................................... 189
Tabla 8.6 Determinación de los costos por concepto de lucro cesante del
edificio Vanguardia........................................................................ 189
Tabla 8.7 Resumen de los costos totales del edificio Vanguardia.................. 189
INDICE DE FIGURAS
Capitulo II Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal
Figura 2.1 Esquema de dos tipos de edificios (a) Estructura sin aislación
basal (b) Estructura con aislación basal...................................... 12
Figura 2.2 Esquema de aislador bajo amortiguamiento (LDR)..................... 15
Figura 2.3 Ejemplos de aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento.. 15
Figura 2.4 Corte esquemático de aislador con núcleo de plomo................... 16
Figura 2.5 Aislador péndulo friccional.......................................................... 16
Figura 2.6 Fire Command and Control Facility, Los Angeles....................... 17
Figura 2.7 Corte de Apelaciones, San Francisco........................................... 17
Figura 2.8 Parlamento de Nueva Zelanda..................................................... 18
vii

10. Figura 2.9 Edificio de Telecom, Ancona, Italia............................................. 18
Figura 2.10 Clínica San Carlos de Apoquindo, Santiago, Chile.................... 18
Figura 2.11 Edificio San Agustín de la Pontificia Universidad Católica de
Chile Santiago, Chile................................................................ 19
Figura 2.12 Maqueta del Hospital, Militar, Santiago Chile........................... 19
Capitulo III Caracterización Estructural del Edificio
Figura 3.1 Planta de Estructuras Cielo Subterráneo....................................... 21
Figura 3.2 Planta de Estructura Cielo 1° Piso................................................. 21
Figura 3.3 Planta de Estructura de Cielo 2° Piso............................................ 22
Figura 3.4 Planta de Estructura Cielo 3° al 4° Piso........................................ 22
Figura 3.5 Planta de Estructura Cielo 6° Piso................................................. 23
Figura 3.6 Planta de Estructura Variante Cielo 5° Piso.................................. 23
Figura 3.7 Planta de Estructuras Cielo Sala de Máquinas.............................. 23
Figura 3.8 Corte Esquemático 1-1.................................................................. 24
Figura 3.9 Corte Esquemático 2-2.................................................................. 24
Figura 3.10 Corte Esquemático 5 – 5.............................................................. 25
Figura 3.11 Corte Esquemático 6 – 6.............................................................. 25
Figura 3.12 Corte Esquemático del Sistema de Aislación.............................. 28
Figura 3.13 Distribución en planta de los aisladores que son todos del
mismo tipo................................................................................... 28
Figura 3.13 Distribución en planta del sistema que cuenta con dos tipos de
aisladores.................................................................................... 29
Figura 3.14 Representación tridimensional del modelo de base fija, sector
frontal.......................................................................................... 31
Figura 3.15 Representación tridimensional del modelo de base fija, sector
posterior...................................................................................... 31
Figura 3.16 Vista de los aisladores realizando un corte en el nivel del cielo
subterráneo inferior..................................................................... 33
Figura 3.17 Vista de los aisladores realizando un corte en el nivel del cielo
subterráneo superior.................................................................... 33
Capitulo IV Análisis y Diseño de la Estructura Convencional 34
Figura 4.1 Espectro NCh 433 Of 96, en dirección X...................................... 37
Figura 4.2 Espectro NCh 433 Of 96, en dirección Y...................................... 37
viii

11. Figura 4.3 Espectro reducido NCh 433 Of 96, en dirección X....................... 37
Figura 4.4 Espectro reducido NCh 433 Of 96, en dirección Y....................... 38
Capitulo V Norma de Aislamiento Basal, una Nueva Filosofía de 55
Diseño
Figura 5.1 Probabilidad de excedencia de un cierto nivel de aceleración
máxima del suelo, para zona sísmica 3........................................ 57
Figura 5.2 Definición del espectro de diseño de pseudoaceleración............ 59
Capitulo VI Aislamiento Basal de la Estructura 63
Figura 6.1 Esquema de la configuración del aislador HDR............................ 78
Figura 6.2 Esquema de la configuración del aislador LDR............................ 95
Figura 6.3 Esquema de la configuración del aislador FPS............................. 103
Figura 6.4 Esquema del modelo bilineal......................................................... 104
Figura 6.5 Curvas histeréticas de un aislador HDR, analizados para el
proyecto del Hospital Militar......................................................... 106
Figura 6.6 Curvas histeréticas de un aislador LRB, analizados para el
proyecto del Hospital Militar......................................................... 110
Figura 6.7 Curva de histéresis de dispositivo deslizador friccional utilizado
en Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica.................... 113
Capitulo VII Análisis y Diseño de la Estructura Aislada 114
Figura 7.1 Componentes horizontales de aceleración de los registros de
Melipilla y Llolleo, registrados durante el
terremoto del 3 de marzo de 1985................................................. 116
Figura 7.2 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores
HDR, modo traslacional en X........................................................ 118
Figura 7.3 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores
HDR, modo traslacional en Y........................................................ 119
Figura 7.4 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores
HDR, modo rotacional en Z........................................................... 119
Figura 7.5 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema mixto,
modo traslacional en X.................................................................. 121
ix

12. Figura 7.6 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con sistema
mixto, modo traslacional en Y....................................................... 121
Figura 7.7 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema mixto,
modo torsional en Z....................................................................... 122
Figura 7.8 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS,
modo traslacional en X.................................................................. 123
Figura 7.9 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS,
modo traslacional en Y.................................................................. 124
Figura 7.10 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS,
modo rotacional en Z.................................................................. 124
Figura 7.11 Deformación de los sistemas de aislación, en la dirección X,
aplicando el registro de Melipilla............................................... 125
Figura 7.12 Deformación de los sistemas de aislación, en la dirección Y,
aplicando el registro de Melipilla............................................... 126
Figura 7.13 Respuesta del Edificio Vanguardia, deformación relativa,
respecto al nivel de fundación, aplicando el registro de
Melipilla...................................................................................... 129
Figura 7.14 Respuesta en el Tiempo de los Drift del Edificio Vanguardia... 130
Figura. 7.15 Respuesta del Edificio Vanguardia, aceleraciones absolutas,
aplicando el registro de Melipilla............................................... 134
Figura 7.16 Respuesta en el Tiempo de la Aceleración Absoluta del
Edificio Vanguardia.................................................................... 135
Figura 7.17 Respuesta del Edificio Vanguardia para los cortes basales,
aplicando el registro de Melipilla............................................... 138
Figura 7.18 Respuesta en el Tiempo del Corte Basal del Edificio
Vanguardia.................................................................................. 140
Figura 7.19 Respuesta de los desplazamientos máximos por nivel para la
estructura convencional y aislada con el registro Melipilla........ 145
Figura 7.20 Desplazamientos máximos de cada nivel de la estructura
aislada y base fija, por sobre el nivel de aislación...................... 147
Figura 7.21 Comparación de la Respuesta en el Tiempo de los
Desplazamiento Relativos del Edificio Vanguardia Aislado
y Base Fija.................................................................................. 149
Figura 7.22 Respuesta del comportamiento de las aceleraciones absolutas
para Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija, aplicado el
Registro de Melipilla.................................................................. 153
x

13. Figura 7.23 Comparación de la Respuesta en el Tiempo de las
Aceleraciones Absolutas del Edificio Vanguardia Aislado
y Base Fija.................................................................................. 154
Figura 7.24 Respuesta del comportamiento de esfuerzos de corte para
Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija, aplicado el registro
de Melipilla................................................................................. 158
Figura 7.25 Comparación de la Respuesta en el Tiempo del esfuerzo de
Corte del Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija..................... 160
Figura 7.26 Espectro definido por la NCh 2745 para el Diseño de
Estructuras Aisladas, caso Particular Edificio Vanguardia........ 164
Capitulo VIII Estudios Comparativo de Costos del Edificio 180
Vanguardia
Figura 8.1 Curva de Vulnerabilidad para una estructura de hormigón
armado calibrada a partir del terremoto del 3 marzo de 1985,
y aplicada al edificio Vanguardia Convencional y Aislado........ 188
Figura 8.2 Resumen de diferentes tipos de costos del edificio Vanguardia
convencional versus Aislado...................................................... 190
Anexo A Antecedentes Sobre la Aislación Basal 199
Figura A1.1 Efecto de la amortiguación sobre la aceleración....................... 200
Figura A1.2 Efecto del amortiguamiento sobre los desplazamientos............ 200
Figura A1.3 Espectro de pseudo-aceleración para el registro de Llolleo
para razones de amortiguamiento de 5, 10 y 15%...................... 201
Figura A1.4 “Gráfico Universal de Cortes Basales Equipotenciales”........... 202
Figura A1.5 Deslizador friccional................................................................. 203
Figura A1.6 Dispositivo VPJ......................................................................... 203
Figura A1.7 Aislador friccional con anillo de goma..................................... 204
Figura A1.8 Aislación de piso....................................................................... 204
Figura A1.9 Rieles cosenoidales.................................................................... 204
Figura A1.10 Curva de histéresis típica para un aislador de bajo
amortiguamiento, LDR............................................................ 206
Figura A1.11 Curva fuerza-deformación típica de un aislador HDR............. 207
Figura A1.12 Curva de histéresis para un aislador LRB................................ 209
Figura A1.13 Sistema de fricción pura........................................................... 209
xi

14. Figura A1.14 Analogía entre el péndulo tradicional y el sistema de
péndulo friccional.................................................................... 210
Figura A1.15 Aislador de péndulo friccional (FPS), con sus principales
componentes............................................................................ 211
Figura A1.16 Curva típica de histéresis para un aislador FPS....................... 211
Figura A1.17 Diagramas de equilibrio dinámico para FPS en un modelo
plano......................................................................................... 212
Figura A1.18 Diagramas de equilibrio dinámico para FPS, en un modelo
tridimensional........................................................................... 213
Figura A1.19 Efecto de µ en la respuesta del FPS........................................... 215
Figura A1.20 Efecto de R en la respuesta del FPS.......................................... 215
Figura A1.21 Comparación de una respuesta en el tiempo de un sistema
con y sin FPS.µ = 0.05, R = 5 mt............................................. 216
Anexo B Detalles y Configuración del Edificio Vanguardia 217
Figura B1.1 Vista panorámica de la elevación frontal del edificio
Vanguardia.................................................................................. 217
Figura B1.2 Detalle de vista de elevación frontal........................................... 218
Figura B1.3 Vista de la elevación posterior del edificio Vanguardia............. 218
Figura B1.4 Sector lateral del edificio Vanguardia, donde existe una mayor
concentración de muros y se encuentran las cajas de escaleras
y ascensor.................................................................................... 219
Figura. B1.5 Segundo sector lateral donde existe una importante
concentración de muros............................................................... 219
Figura B1.6 Nivel de techo y sala de máquinas del edificio Vanguardia....... 220
Figura B1.7 Detalle del sector de la Caja de Escalas...................................... 220
Figura B1.8 Vista del nivel del subterráneo, y ubicación de los aisladores
y elementos de conexión del sistema de aislación...................... 221
Figura B1.9 Aislador puesto en su posición y operativo, se señalan las
vigas de conexión y los tensores................................................. 222
Figura. B1.10 Aislador que cuenta con elemento de protección ignifugo y
contra agentes externos............................................................ 222
Figura B1.11 Vista de la disposición de un aislador que se ubica sobre un
muro......................................................................................... 223
Figura. B1.12 Paso de la estructura de una escalera por la interfaz de
aislación y su solución............................................................. 223
xii

15. Figura B1.13 Solución constructiva para la caja de ascensor cuando esta
cruza la interfaz de aislación.................................................... 224
Figura B1.14 Conexión flexible, para servicios como agua, electricidad,
gas............................................................................................ 225
Figura B1.15 Exterior del edificio Clínico, con juntas y separaciones para
permitir el movimiento entre la parte fija y aislada de la
estructura.................................................................................. 225
Figura B1.16 Disposiciones y condiciones para el funcionamiento de una
rampla de acceso en un edificio aislado................................... 226
Anexo C Respuesta del Edificio Vanguardia Aislado para el 227
Registro de Llolleo
Figura C1.1 Deformación del sistema de aislación en X del Edificio
Vanguardia, para registro de Llolleo.......................................... 228
Figura C1.2 Deformación del sistema de aislación en Y del edificio
Vanguardia, para el registro de Llolleo...................................... 228
Figura C1.3 Respuesta del Edificio Vanguardia, deformación relativa,
respecto al nivel de fundación, aplicando el registro
de Llolleo.................................................................................... 229
Figura C1.4 Respuesta en el Tiempo de los Drift del Edificio Vanguardia,
Registro Llolleo.......................................................................... 230
Figura C1.5 Respuesta del Edificio Vanguardia de las aceleraciones
absolutas, aplicando el registro de Llolleo.................................. 232
Figura C1.6 Respuesta en el Tiempo de la Aceleración Absoluta del
Edificio Vanguardia, Registro de Llolleo................................... 234
Figura. C1.7 Respuesta del Edificio Vanguardia para los cortes basales,
aplicando el registro de Llolleo.................................................. 236
Figura C1.8 Respuesta en el Tiempo del Corte Basal del Edificio
Vanguardia, Registro de Llolleo................................................. 238
INDICE DE ECUACIONES
Capitulo I Introducción 1
Ecuación 1.1 Balance de energía del sismo y la estructura........................... 3
xiii

16. Capitulo IV Análisis y Diseño de la Estructura Convencional 34
Ecuación 4.1 Definición de Espectro de Diseño............................................. 36
Ecuación 4.2 Factor de amplificación α.......................................................... 36
*
Ecuación 4.3 Factor de reducción R .............................................................. 36
Ecuación 4.4 Relación para establecer valor del Drift y su rango según
NCh 433................................................................................... 41
Capitulo V Norma de Aislamiento Basal, una Nueva Filosofía de 55
Diseño
Ecuación 5.1 Expresiones para el desplazamiento de diseño y máximo de la
Estructura................................................................................. 62
Ecuación 5.2 Expresiones para el desplazamiento de diseño total y máximo
total de la estructura.............................................................. 62
Capitulo VI Aislamiento Basal de la Estructura 63
Ecuación 6.1 Rigidez horizontal total del sistema de aislación HDR............ 66
Ecuación 6.2 Rigidez horizontal de un aislador............................................. 66
Ecuación 6.3 Relación para establecer el área del aislador HDR.................. 66
Ecuación 6.4 Altura total de goma necesaria en el aislador........................... 66
Ecuación 6.5 Factor de forma, S, para un aislador......................................... 67
Ecuación 6.6 Relación para el numero de capas de goma.............................. 67
Ecuación 6.7 Tensión de tracción máxima en las placas de acero................. 67
Ecuación 6.8 Tensión admisible en las placas de acero................................. 67
Ecuación 6.9 Relación de verificación entre tensión máxima y admisible.... 68
Ecuación 6.10 Altura parcial del aislador....................................................... 68
Ecuación 6.11 Altura total del aislador........................................................... 68
Ecuación 6.12 Rigidez vertical de un aislador................................................ 68
Ecuación 6.13 Expresión para determinar el modulo de compresión del
conjunto goma-acero................................................................ 68
Ecuación 6.14 Frecuencia para un aislador..................................................... 69
Ecuación 6.15 Deformación angular máxima total......................................... 69
Ecuación 6.16 Deformación angular asociada al corte................................... 69
Ecuación 6.17 Deformación angular asociada a la compresión...................... 69
Ecuación 6.18 Deformación axial media de la capa de goma......................... 69
Ecuación 6.19 Deformación máxima admisible.............................................. 69
xiv

17. Ecuación 6.20 Expresión para la carga critica de pandeo............................... 70
Ecuación 6.21 Expresión para rigidez de corte efectiva................................. 70
Ecuación 6.22 Área de corte efectiva.............................................................. 70
Ecuación 6.23 Carga de alabeo para una columna.......................................... 70
Ecuación 6.24 Expresión para la rigidez a la inclinación o tilting.................. 70
Ecuación 6.25 Desplazamiento máximo para la verificación al
volcamiento............................................................................. 71
Ecuación 6.26 Rigidez horizontal total del sistema de aislación Mixto.......... 79
Ecuación 6.27 Relación para establecer el área del aislador LRB.................. 80
Ecuación 6.28 Relación para establecer al área de plomo del aislador........... 80
Ecuación 6.29 Rangos óptimos para el diámetro de plomo............................ 80
Ecuación 6.30 Factor de forma, S, para un aislador LRB............................... 81
Ecuación 6.31 Altura parcial del aislador y altura total del núcleo
de plomo.................................................................................. 82
Ecuación 6.32 Rigidez horizontal propia del aislador LRB............................ 82
Ecuación 6.33 Rigidez horizontal efectiva para el aislador LRB.................... 82
Ecuación 6.34 Fuerza de fluencia del aislador LRB....................................... 82
Ecuación 6.35 Expresión para la rigidez vertical del aislador LRB................ 82
Ecuación 6.36 Rigidez horizontal total del sistema de aislación FPS............ 96
Ecuación 6.37 Radio de curvatura de un aislador FPS.................................... 96
Ecuación 6.38 Expresión para determinar la rigidez post – deslizamiento de
un aislador FPS........................................................................ 97
Ecuación 6.39 Expresión para determinar fuerza de activación del sistema
FPS........................................................................................... 97
Ecuación 6.40 Área de contacto de slider....................................................... 97
Ecuación 6.41 Dimensión horizontal del aislador FPS.................................... 97
Ecuación 6.42 Carga transmitida a la placa inferior en un aislador FPS......... 97
Ecuación 6.43 Carga resistida por la placa inferior en un aislador FPS.......... 97
Ecuación 6.44 Equilibrio de resistencias de la placa inferior.......................... 98
Ecuación 6.45 Altura total del aislador FPS.................................................... 98
Ecuación 6.46 Energía disipada por un aislador HDR.................................... 104
Ecuación 6.47 Segunda expresión para la energía disipada por un
aislador HDR........................................................................... 105
Ecuación 6.48 Desplazamiento de fluencia..................................................... 105
Ecuación 6.49 Expresión para el amortiguamiento efectivo para HDR.......... 105
Ecuación 6.50 Energía disipada por un aislador LRB..................................... 109
Ecuación 6.51 Amortiguamiento efectivo para un aislador LRB................... 109
Ecuación 6.52 Desplazamiento de fluencia para aislador FPS....................... 112
xv

18. Ecuación 6.53 Energía disipada por un aislador FPS...................................... 112
Capitulo VII Análisis y Diseño de la Estructura Aislada 114
Ecuación 7.1 Fuerza o corte lateral total de diseño sísmico en los
elementos por debajo del sistema de aislación......................... 165
Ecuación 7.2 Fuerza o corte lateral total de diseño sísmico en los
elementos de la superestructura............................................... 165
Anexo A Antecedentes Sobre la Aislación Basal 199
Ecuación A.1 Fuerza restauradora en una dimensión para el sistema FPS... 212
Ecuación A.2 Fuerza restauradora bidireccional para el sistema FPS........... 213
Ecuación A.3 Fuerza restauradora tridimensional para el sistema FPS........ 213
Ecuación A.4 Expresión para la fuerza normal, caso deformaciones
pequeñas................................................................................... 214
Ecuación A.5 Igualdad de fuerzas compacta.................................................. 214
Ecuación A.6 Coeficiente de fricción............................................................. 214
Ecuación A.7 Expresión para el período aislado para sistema FPS................ 215
INDICE DE ANEXOS
Anexo A Antecedentes sobre Aislación Basal............................................... 199
Anexo B Detalles y Configuración del edificio Vanguardia......................... 217
Anexo C Respuesta del Edificio Vanguardia Aislado para el Registro de
Llolleo............................................................................................ 227
xvi

19. Resumen
Este estudio es desarrollado para analizar los efectos que tendría la implementación de un
sistema de aislación sísmica sobre el comportamiento estructural y de costos, para un caso
en particular: el edificio Vanguardia. Este edificio destinado a oficinas, consta de siete
pisos más un nivel de subterráneo y se ubicaría en la ciudad de Concepción.
El trabajo se describe en cinco etapas: i) análisis y diseño de la estructura convencional,
ii) diseño del sistema de aislación, iii) análisis de la estructura aislada, iv) diseño del
edificio Vanguardia aislado y v) análisis comparativo de costos entre la estructura aislada y
la convencional.
Para efecto de la elección del sistema de aislación más apropiado, se diseñaron tres
sistemas posibles: HDR, mixto conformado por aisladores LRB y HDR, y finalmente FPS.
Como siguiente paso, se aplicó un análisis dinámico no lineal según la NCh 2745 al
edificio Vanguardia aislado con el propósito tanto de evaluar cual sistema de aislación
sería el escogido, como de realizar una comparación de respuesta entre las estructuras
convencional y aislada. El diseño del edificio Vanguardia aislado se realiza con la reciente
norma de aislación sísmica NCh 2745 analizando las ventajas que pueda presentar. El
análisis económico comparativo se hace incluyendo los costos directos e indirectos, esto
último a través de una curva de vulnerabilidad sísmica.
Summary
This study is developed to analyse effects that could have implementer a seismic isolation
system over structural behaviour and cost for an individual case: Vanguardia building. This
is conformed by seven levels more a subterranean level, destined to offices and it would be
situated in Concepción city.
The work is in five stages: i) analysis and design of the conventional structure, ii) isolation
system design, iii) isolated structure analysis, iv) isolated Vanguardia building design and
v) cost comparative analysis to the isolated versus conventional structures.
For effect of isolation system election, three possible systems were designed: HDR, Mixed
conformed by LRB and HDR isolators, and FPS. As following step is applied nonlinear
dynamic analysis according to the NCh 2745 at isolated Vanguardia building with propose
to evaluate which isolation system will be chosen, like to make an answer comparison
between conventional and isolated structure. The isolated Vanguardia building design is
made with the recent seismic isolation norm NCh 2745 analyzing the advantages that can
present. The comparative economic analysis becomes including the direct and indirect
costs, this last one through a vulnerability seismic curve.
xvii

20. CAPITULO I
INTRODUCCION
1.1. ANTECEDENTES GENERALES
Los eventos sísmicos son un fenómeno natural que nos ha acompañado desde siempre y
que inevitablemente nos seguirá acompañando en el futuro, esta afirmación tiene su base en que
como es sabido la distribución de los sismos en el mundo no es igualitaria, existen lugares donde
estos eventos se concentran más, ya sea en cantidad como en intensidad, Chile está ubicado en
una de las regiones sísmicamente más activas del mundo, ya que se ubica prácticamente sobre
una gran falla geológica, la interacción entre la placa sudamericana y la de nazca, como ejemplo
de esto nuestro país tiene una frecuencia en terremotos 3 veces más alta que Japón, que es el país
que le sigue y durante el periodo sísmico que se extiende desde el fin del siglo XVI hasta el
presente, un sismo de magnitud 8 ha ocurrido en promedio cada 10 años. Prácticamente todos
ellos han provocado pérdidas humanas y económicas considerables, además del miedo e
inseguridad en las personas. Como se puede ver ésta natural característica pasa a ser parte de la
“personalidad” de nuestro país conllevando que los niveles de vulnerabilidad y exposición
debidos a los efectos de los sismos sea alto. La sismicidad en Chile está caracterizada por al
menos tres rasgos de importancia: número de sismos por unidad de tiempo, gran tamaño y una
diversidad de ambientes tectónicos donde estos ocurren (zonas sismogénicas). Hay que tener en
claro que los efectos adversos generados por los terremotos no son directas del mecanismo del
sismo, mas bien de las fallas de estructuras construidas por el ser humano, por lo que aunque los
sismos son inevitables está en nuestras manos reducir sus consecuencias a límites aceptables
mediante el control del medio construido. Por todo lo anterior nuestro país presenta múltiples
desafíos ante el problema sísmico y toma una relevancia importante la investigación de
estructuras resistentes a los sismos tanto del punto de vista estructural como funcional, ya que se
presta un servicio directo a toda la población del país. Chile es un laboratorio natural excepcional
para entender los fundamentos de los procesos sísmicos y comprobar el buen funcionamiento de
múltiples dispositivos que se puedan generar para el control de las vibraciones producidas por
los sismos sobre las estructuras, tal como son los aisladores basales, los cuales son un sistema de
control pasivo que se ha venido desarrollando en las últimas décadas que logran mitigar y
controlar todos los tipos de daños que generan los terremotos.
La experiencia chilena de edificios aislados comienza en 1992 con la construcción del edificio
Andalucía de cuatro pisos sobre 8 aisladores, luego siguió en el 2000 con el Clínica de la
1

21. Introducción
Universidad Católica de 6 niveles con 52 aisladores, el año 2002 se realizó el tercer edificio
aislado, la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica que tiene 5 pisos y cuenta con 53
aisladores, finalmente el proyecto aislado de mayor envergadura, el Hospital Militar con 164
aisladores.
En la presenta memoria de titulo se estudia y desarrolla la implementación de un sistema de
protección pasivo, la aislación basal, para un caso particular, el edificio Vanguardia, de 6 niveles
más un subterráneo, el cual se encontraría en la ciudad de Concepción, y posee una tipología
estructural mixta de elementos de hormigón armado, con pórticos y muros. Se diseñarán tres
sistemas posibles de aislación sísmica basal para el edificio Vanguardia, los cuales se
contrastarán a través de un análisis dinámico no lineal, según la NCh 2745 para ver
comparativamente cual presenta mejores resultados para ciertos parámetros de interés, este
mismo análisis será utilizado para realizar un paralelo de respuesta entre el edificio Vanguardia
convencional y aislado. También se realiza el diseño de la estructura aislada de acuerdo a las
disposiciones de la NCh 2745 “Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica”. Finalmente
se presenta un análisis económico en donde se compara el edifico Vanguardia convencional
versus su similar aislado incluyendo los costos directos e indirectos, permitiendo esto evaluar
que estructura presentara el menor costo a largo plazo.
1.1.1. INGENIERIA SISMICA
El interés del hombre por tener la capacidad de entender y enfrentar los sismos es tan
antiguo como los sismos mismos, con el pasar de los tiempos se desarrollaron dos áreas la
sismología que se preocupa del tema desde el punto de vista de las ciencias de la tierra y la
ingeniería civil que tenia como preocupación generar construcciones confiables y seguras, la
ingeniería sísmica emerge a principios del siglo XX como una rama interdisciplinaria de esta
última, generando un nexo entre la sismología y la ingeniería civil, orientada primariamente a la
mitigación de la amenaza sísmica, para luego ir evolucionando en búsqueda de soluciones al
problema sísmico abarcando todos los esfuerzos prácticos para reducir e idealmente eliminar la
peligrosidad sísmica.
Chile como un país altamente sísmico estuvo en los inicios de la ingeniería sísmica junto a
países como Estados Unidos y Japón; contando desde varios años con normativas para el calculo
sísmico de estructuras, comenzando con la NCh 433 Of. 72 que a pesar de su data, es ya de
concepción moderna, en la actualidad está reemplazada por la NCh 433 Of. 96 que recoge las
enseñanzas del terremoto de marzo de 1985. Desde el año 1999 contamos con la norma NCh
2369 Of 99 la cual se refiere a diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales
ampliando el diseño sísmico a este tipo de estructuras. Como se puede ver la única respuesta ante
la amenaza sísmica es el desarrollo vigoroso de la ingeniería sísmica; en los criterios de diseño
sísmico de edificios convencionales se trabaja con un balance entre la resistencia y la capacidad
2

22. Introducción
de deformación de la estructura para que ésta a través de la disipación de energía que genera la
plastificación de los elementos estructurales resista el sismo; ha sido costumbre aceptar que para
sismos severos se permitan daños estructurales, pero se evite el colapso. En países con
economías más avanzadas ya se ha cuestionado este concepto, exigiéndose que se evite no sólo
el colapso, sino que también los daños estructurales significativos.
En los últimos tiempos han surgido nuevas ideas respecto a la protección ante el peligro sísmico.
En base a consideraciones derivadas del avance tecnológico, se ha propuesto resolver el
problema de hacer las construcciones más seguras, de otra manera, y conseguir que el sismo
afecte menos a las estructuras. La idea es de acoplar a la estructura un sistema mecánico y lograr
que este último absorba una parte de la energía sísmica que le llega al conjunto. Se podría
plantear la siguiente ecuación global:
Esísmica = Eestructura + Esistema mecánico (Ec1.1)
E = energía
De esta manera la energía sísmica que le corresponde a la estructura se reduce notablemente. Se
han ideado diversos dispositivos que representan a lo que se ha denominado sistema mecánico y
que en la literatura técnica se denominan como sistemas de protección pasiva. Estos sistemas han
tomado varias formas: disipadores pasivos, fluencia de metales, fricción, deformación de metales
sólidos viscoelásticos, deformación de fluidos viscoelásticos, extrusión de metales, etc.
El sistema pasivo que ha tomado mayor desarrollo es el de aislación en la base, esta se trata de
apoyar a la estructura no directamente sobre el terreno sino que sobre aisladores que desacoplen
el movimiento del suelo con respecto al de la estructura, reduciendo la respuesta sísmica. La
aislación basal tiene dos principios fundamentales que son la flexibilización y el aumento de
amortiguamiento, logrando reducir las aceleraciones y concentrando el desplazamiento en el
sistema de aislación con la contribución de la amortiguación.
Todas estas tendencias e investigaciones fueron la génesis de la NCh 2745 Of 2003 norma de
Diseño y Análisis de Edificios con Aislación Sísmica, la que entrega los criterios para la
correcta elección e implementación de un sistema de aislamiento sísmico, en particular los
sistemas de aislamiento basal, esta última norma muestra la línea que tiene el país en este campo,
el cual es el de generar y normar sobre dispositivos que protejan de mejor manera a la estructura,
a las personas y manteniendo la serviciabilidad de las estructuras logrando disminuir las perdidas
económicas que se generan después de un sismo severo.
1.1.2. COSTOS ECONOMICOS EN EDIFICIOS PRODUCIDOS POR SISMOS.
Además de todas las consideraciones en cuanto a mecanismos de generación, forma de
actuar y todo el análisis físico que se puede desarrollar de un sismo, tenemos otros factor
3

23. Introducción
importante de estudio que son los costos económicos que se pueden generar cuando se produce
un sismo de una intensidad considerable llamado terremoto. En la magnitud de los costos
económicos influyen varios factores la magnitud del evento, su duración, el numero de replicas;
características propias del sismo y existen también la relacionadas directamente con la
construcción: los materiales utilizados, la geometría estructural, la presencia de un diseño
sismorresistente y finalmente características de la sociedad en particular como ser la
concentración de población, cantidad de edificaciones, y la economía propia del país. Como se
puede apreciar por las múltiples variables presentes es un tema bastante complejo, por lo cual
adquiere importancia las diferentes tendencias y elementos que se puedan implementar para la
reducción de los posibles costos, porque para que se produzca un desastre, además de la acción
de la naturaleza, debe ir asociada a la vulnerabilidad generada por el hombre.
Es evidente que los costos económicos son consecuencia de diferentes tipos de daños que
produce el sismo y para poder facilitar la comprensión de la calificación de daños, se indica el
significado que se da a los términos de efectos directos, indirectos y secundarios, de
conformidad con la metodología desarrollada por la CEPAL [19].
Daños directos. Se refieren a las pérdidas de todo tipo (parciales o totales, recuperables o
no) en los acervos de capital fijo, inversiones e inventarios, de producción terminada o en
proceso, de materias primas, maquinaria y repuestos.
Específicamente para nuestro particular caso de estudio el daño directo se refiere a la destrucción
física, ya sea completa o parcial, que ocurre durante el desastre o inmediatamente después,
incluyendo los daños a maquinarias, equipos e instalaciones. Es evidente que el costo de
reposición de ese mismo acervo, incluso sin mejoras, será mayor y el valor de la reconstrucción
puede tener grandes variaciones respecto de la magnitud inicial del daño directo. La aplicación
de este tipo daño esta directamente ligada a los costos indirectos de una estructura.
Daños indirectos. Se refieren a la afectación de los flujos, tanto de bienes como de servicios,
que no serán producidos o prestados como consecuencia del desastre, a partir del mismo y
durante un período posterior que puede prolongarse por semanas, meses o años,
dependiendo de las características del evento.
Los daños indirectos se miden en términos monetarios, no físicos, incluyendo por ejemplo:
• Los gastos de operación mayores, como consecuencia de la destrucción física de
infraestructura, y por el incremento en los costos de la actividad o el servicio.
• Costos adicionales generados en cualquier sector debido a la necesidad de usar medios
alternos para su provisión.
• Pérdidas de ingreso como resultado de la falta de suministro de servicios básicos.
• Pérdidas de ingreso personal, en el caso de individuos que perdieron empleos.
• Pérdidas de producción o ingresos en actividades de cadenas productivas
4

24. Introducción
• Las inversiones extraordinarias destinadas a responder a las necesidades de relocalización
de actividades, patrimonio o asentamientos.
• El lucro cesante originado por los periodos de clausura de los edificios dañados y de su
posterior reparación, y el deterioro del valor comercial de los edificios dañados.
Los efectos monetarios del daño indirecto se consideran dentro de los costos indirectos de una
estructura, para el caso particular de estudio se considera el lucro cesante.
La suma de los daños directos e indirectos representa el total, en términos materiales y
Monetarios, del efecto del terremoto. Se deben evaluar con cautela las consecuencias de un
desastre para incluir ambos tipos de daño en la estimaciones, dado que con frecuencia los daños
indirectos pueden ser equivalentes o superiores al valor monetario de los daños directos; y son
estos daños indirectos los que producen los efectos secundarios de alteración o debilitamiento de
la economía, impidiendo que pueda enfrentar por sí sola los requerimientos de rehabilitación y
reconstrucción; y por lo general no son tan considerados en la evaluaciones que se realizan de los
proyectos.
Efectos secundarios Se refieren al impacto del desastre en el comportamiento global de la
economía afectada, medido a través de las variables macroeconómicas de mayor
significación. La estimación de cambios en estas variables, hecha a partir del valor de los
daños totales, tanto directos como indirectos, no se suma matemáticamente a éstos.
Los principales efectos secundarios de un desastre se aprecian en:
• El comportamiento global y sectorial del producto interno bruto (PIB).
• El balance comercial y su efecto en la balanza de pagos.
• El nivel de endeudamiento y su relación con las reservas monetarias.
• La evolución de las finanzas públicas.
• La formación bruta de capital.
• Dependiendo de la naturaleza del desastre, puede haber efectos secundarios en términos
de inflación, empleo e ingresos de los hogares.
Hay varios aspectos que últimamente han adquirido mayor relevancia respecto a los daños
económicos que pude generar un terremoto ellos son los relacionados con las perdidas
producidas por el tiempo perdido en reparaciones, en no poder prestar un servicio y en la
serviciabilidad inmediata, con sus consiguientes costos económicos.
A continuación se presentan algunos datos referentes a las perdidas económicas que se han
presentado en Chile y otros países que han sido afectados por sismos de intensidad importante.
En el caso de Chile no existen grandes datos acerca de la perdidas originadas por los principales
terremotos que no han afectado, pero se puede rescatar lo siguiente para el terremoto del 22 de
5

25. Introducción
mayo del 1960 las perdidas materiales alcanzaron una suma superior a los $500 millones de
dólares de la época, lo que constituye una cifra que sobrepasa el 50% del valor del presupuesto
de la nación de aquel año y está sobre el 12% del PIB; además unas 5000 personas perdieron la
vida y unos 3000 quedaron heridos. El 3 de marzo de 1985 se produjo un terremoto en la zona
central, afectando una zona con una población de seis millones de habitantes, ocasionando 147
victimas fatales y unos 2000 heridos; las pérdidas económicas se han estimado en $1300
millones de dólares, y a manera de comparar se tiene que la tasa de inversión anual tenía un
promedio de $2570 millones de dólares por lo que las perdidas por el sismo alcanzan el 50% del
total de la inversión anual.
En el caso de otras partes del mundo el mismo 1985 un terremoto de magnitud 8.1 ocurrió en
México colapsando más de 300 edificios y muriendo más de 10000 personas. Según datos de
CEPAL 1989 se tiene que las perdidas totales fueron de $4337 millones de dólares (dólares de
1987), de las cuales $3793 millones de dólares son por conceptos directos y $544 millones por
indirectos, los efectos secundarios fueron valorizados en $4050 millones de dólares. El terremoto
significo un 3% del PIB.
En 1995 ocurrió un terremoto en Kobe. Japón de magnitud 7.2, el cual es uno de los más
destructivos que ha soportado ese país, ya que afecto a una zona densamente poblada y con una
influencia económica importante. Se registraron oficialmente 5.502 muertos y 41.521 heridos, de
los cuales el 89% fue por algún tipo de aplastamiento, el daño en la construcción ascendida
400.000 edificios y viviendas dañadas de las cuales 100.000 edificios colapsaron. Se estimó que
las perdidas materiales fueron de 100 billones de dólares. Además como consecuencia de la
inoperatividad de las oficinas y del puerto de la ciudad hicieron que las pérdidas económicas
pudieran ser estimadas en otros 200.000 millones de dólares adicionales. A continuación se
presentan tablas que muestran los efectos de los terremotos en diversas partes del mundo:
Para algunos casos en Centroamérica se tiene
Tabla 1.1 Pérdidas económicas producidas por diferentes terremotos en Centroamérica.
Terremotos y sus efectos en Centroamérica
Nombre Año Magnitud Pérdidas
Terremoto de 800 millones de
1972 6.2
Nicaragua dólares
Terremoto de 1,1 billones de
1976 7.5
Guatemala dólares
Terremoto de 1,4 billones de
1986 5.7
El Salvador dólares
Terremoto de 188.3 millones de
1991 7.6
Costa Rica dólares
Fuente CEPREDENAC
6

26. Introducción
Se presenta lo que sucedió para el terremoto de 1999 en Colombia:
Tabla 1.2 Costos producidos por el terremoto de 1999 en Colombia.
Terremoto Eje Cafetero 1999
Directos Indirectos Total
Costos total daños (US$ Miles) 1668128 189237 1857365
N° Habitantes afectados 560538 1534500 2095038
Costo Percápita (US$ Miles) 2.98 0.12 3.1
Fuente:"El terremoto de enero de 1999 en Colombia" , CEPAL
Y finalmente una muestra general de diversas partes del mundo con sus respectivas pérdidas
económicas:
Tabla 1.3 Pérdidas económicas directas producidas por diferentes terremotos en el mundo
durante los años 1972 – 1990.
Pérdidas económicas directas
ocasionadas por terremotos, 1972-1990
Pérdida PNB* Pérdida/PNB
Ciudad, país y año
US$bn US$bn %
Managua (1972) 2,0 5,0 40,0
San Salvador (1986) 1,5 4,8 31,0
Guatemala 1976) 1,1 6,1 18,0
Montenegro, Yugoslavia 1979) 2,2 22,0 10,0
Manjil, Irán (1990) 7,2 100,0 7,2
Campania, Italia (1980) 45,0 661,8 6,8
Bucarest, Rumania (1977) 0,8 26,7 3,0
México, D.F, México (1985) 5,0 166,7 3,0
Armenia, Ex-URSS (1988) 17,0 566,7 3,0
Luzón, Filipinas (1990) 1,5 55,1 2,7
Kalamata, Grecia (1986) 0,8 40,0 2,0
Tangshang, China (1976) 6,0 400,0 1,5
Loma Prieta, EE. UU. (1989) 8,0 4705,8 0,2
*Producto Nacional Bruto correspondiente al año en que ocurrió el sismo.
FUENTE: Coburn y Spence (1992).
7

27. Introducción
1.2. OBJETIVOS Y ALCANCES
1.2.1. OBJETIVO GENERAL
Comparar la respuesta estructural a través de ciertos parámetros y de costos, incluyendo
probables daños sísmicos de una estructura convencional versus la estructura similar aislada,
analizando la conveniencia de la implementación de la aislación basal para un caso particular:
Edificio Vanguardia, a ser construido en el centro de Concepción.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
a) Entregar los antecedentes de la conformación estructural y de las formas de
comportamiento de tres tipos de aisladores basales, los cuales son los más usados y
prácticos, dos de tipo elastomérico y uno friccional.
b) Diseñar convencionalmente de la estructura utilizando el código ACI 318-02, con las
mejoras y nuevas disposiciones que presenta, estando de esta forma al día con las
últimas recomendaciones tanto a nivel internacional como nacional.
c) Analizar comparativamente la respuesta de los diferentes tipos de sistemas de
aislación en estudio para su aplicación en el caso particular estudiado, edificio
Vanguardia a construir en la cuidad de Concepción.
d) Analizar y diseñar la estructura utilizando la reciente norma de Análisis y Diseño de
edificios con Aislamiento Sísmico, NCh 2745 Of 2003. Entregando los alcances de
cómo actúa la norma y su aplicación en un proyecto real.
e) Realizar un paralelo entre los costos de la estructural convencional y la estructura
aislada, incluyendo en esta última tantos los costos de implementación como los de
lucro cesante.
1.2.3. ALCANCES
A partir tanto del objetivo general como de los específicos de la presente Memoria de
Titulo, se pueden desprender los siguientes alcances:
a) Masificar el conocimiento sobre los aisladores basales, en lugares del país en donde
no es un tema recurrente y no existen estructuras con estos sistemas, como ser el sur
del país, específicamente Valdivia. Impulsando el interés, estudio e implementación
de los sistemas de aislación en casos que su uso sea adecuado y favorable.
8

28. Introducción
b) Elaborar una evaluación económica de los costos que implica la implementación o no
de un sistema de aislación en un edificio destinado a oficinas, con el fin de ver
objetivamente si existen ventajas comparativas en el corto plazo como en el largo
plazo, y así romper con la idea que una estructura aislada necesariamente es mas
costosa.
c) Al ser uno de los primeros proyectos realizados con la norma sísmica de diseño y
análisis de edificios con aislación, constituiría una buena una instancia para validarla
y de generación de sugerencias y comentarios.
1.3. METODOLOGIA
Para cumplir con los objetivos y fines del presente trabajo de titulación, se debe utilizar
una metodología que permita entregar en forma clara los fundamentos que sustentaran las
conclusiones. Como se trata de la evaluación de un proyecto de ingeniería, la construcción del
edificio Vanguardia en el centro de Concepción, lo que se pretende es ver si realmente es
conveniente estructuralmente y financieramente respecto al mismo proyecto realizado en forma
convencional, todo esto respaldado por un estudio estructural el cual muestre si existen
bondades en el nuevo diseño justificando la implementación del nuevo sistema. Para lograr
evaluar el proyecto, se enfoca el presente trabajo en cuatro grande partes.
La primera consiste en el análisis y diseño de la estructura convencional, esto quiere decir sin el
sistema de aislación basal, con la norma NCh 433 Of 96 y el código ACI 318-02, apoyado por el
programa computacional SAP2000, de esta manera se tiene la visión y comportamiento del
edificio si se realizara en forma tradicional sin ningún sistema de aislación sísmica con la
normativa vigente, como es que realizan la mayoría de los edificios del país.
El segundo estudio a realizar es el de analizar y diseñar diferentes alternativas de sistemas de
aislamiento basal seleccionando el más adecuado para el funcionamiento deseado de la
estructura, como existen múltiples tipos se decidió seleccionar tres de ellos, el criterio que se
utilizó para la elección es que son los más usados en el mundo y en el país, existen mayores
estudios y antecedentes sobre ellos y que para los tipos de estructuraciones típicas del país
presenta mayores ventajas. Los sistemas escogidos son: aislador elastomérico convencional
(HDR), aislador elastomérico con núcleo de plomo (LRB) y un sistema friccional el cual es el
del péndulo friccional (FPS). Esta parte consta de todo el respaldo teórico que se pueda
encontrar en la bibliografía existente y en las experiencias experimentales realizadas sobre estos
sistemas, contando con las curvas representativas, curvas histeréticas y otras de los sistemas
escogidos. Además de una modelación en SAP2000 para poder acoplarla al modelo del edifico
tradicional y tener la visión computacional del comportamiento del edificio aislado.
9

29. Introducción
La tercera parte consiste en el análisis del edificio aislado con la norma NCh 2745 Of 2003,
como esta normativa es nueva, se realizará un detallado análisis de ella aplicada al edificio,
realizando análisis dinámicos no lineales, análisis en el tiempo y los diferentes tipos de análisis
que contemple o sugiera la normativa para casos como el edificio en estudio. Para que con estos
antecedentes se proceda al diseño de la estructura aislada, con esto además de tener el edificio
con sus características nuevas estructurales, funcionales y de serviciabilidad; se podrá tener un
parámetro de la metodología, desarrollo y desempeño de la norma aplicada a un edificio real.
Como ya se tiene el diseño, análisis y estimación de daños, se realiza una estimación de costos,
lo que corresponde al último estudio que se considera en el presente trabajo de titulación, El
estudio de costos consiste en comparar este aspecto en la estructura convencional y aislada, aquí
se consideran los costos generales, directos, de implementación, inclusive los costos de
elementos anexos con esto se tiene en forma clara el costo adicional de inversión que significa la
estructura implementada con un sistema de aislamiento basal. Junto con la comparación de
costos de inversión al momento de construir se analiza el comportamiento incluyendo el nivel de
daño y el lucro cesante. Este estudio es muy importante ya que es un punto trascendente en la
decisión de realizar la inversión. Los resultados de este estudio tienen tanto peso como el
estructural, y es por eso que también se incluye los costos que significan para una estructura
después que ha sufrido un sismo severo, ya sea el de reparaciones de elementos estructurales, el
tiempo de serviciabilidad perdido y el daño que puedan sufrir los contenidos del edificio. Estos
tipos de costos generalmente no se consideran, con lo cual de cierta forma solo se aprecia los
costos de inversión del momento dejando de lado costo que pueden llegar a ser importantes
respecto a la inversión hecha.
Se pretende que el presente trabajo de tesis sea una herramienta útil en el conocimiento y estudio
de la aislación basal, una ayuda al entendimiento y masificación de la norma sísmica sobre
dispositivos de aislación basal. La profundidad de los temas ira acorde al nivel de la
implementación bibliográfico y técnico con la cual cuenta la universidad, siendo un estudio que
busca incentivar nuevas investigaciones en el área de la protección sísmica.
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30. C A P I T U L O II
FUNDAMENTOS Y SISTEMAS
DE AISLACION BASAL
2.1 ANTECEDENTES GENERALES.
Si vemos el problema de un sismo desde el punto mas básico consiste en que el sismo
genera principalmente movimientos horizontales del suelo, a través de ondas que se propagan
por él, estos movimientos horizontales son las principal causa que se produzcan daños en los
edificios, ya que estos están conectados al suelo a través de las fundaciones. Estas ondas poseen
sus propias frecuencias y periodos que excitan a la estructura, provocando que se manifieste las
frecuencias y periodos propios de la estructura, generándose aceleraciones y deformaciones que
afectan directamente a la estructura propia del edificio como a los contenidos de éste.
En edificios tradicionales se recurre a la ductilidad estructural propia, lo cual puede ser riesgoso
ya que se asignan a la estructura ductilidades muy difíciles de probar y controlar, además de
estar admitiendo roturas parciales de la misma estructura que se debe proteger.
Un objetivo fundamental de un óptimo diseño sísmico es minimizar el desplazamiento entre
pisos y las aceleraciones de los pisos presentes en la estructura. Los efectos de los
desplazamientos causan daños a los componentes no estructurales, a equipos y a conexiones de
los diferentes servicios. Se podría minimizar los desplazamientos interpisos rigidizando la
estructura, pero esto además de ser una solución cara, conduce a la amplificación de los
movimiento de la base, lo cual se traduce en altas aceleraciones en los pisos generando posibles
daños al equipamiento interno, a la vez para disminuir estas aceleraciones se podría hacer
utilizando un sistema más flexible pero esto nos lleva al problema inicial de tener considerables
desplazamientos entre pisos.
Por lo cual si es posible independizar la estructura del suelo, se reducirían notablemente los
daños, ya que la estructura “no sentiría” el movimiento del suelo. Esta idea no es algo reciente ya
en agosto de 1909 un doctor en medicina de Inglaterra, J.A Calantarients enviaba una carta al
Director del Servicio Sismológico de Chile en donde hacia notar que había elaborado un método
de construcción en el cual los edificios podían ser edificados en países que sufren de terremotos
sobre este principio de independencia con una alta seguridad. La estrategia de diseño
sismorresistente que permite generar la independencia estructura – suelo se denomina
aislamiento basal, esta es una técnica novedosa que se ha ido desarrollando y perfeccionando en
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31. Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal
el tiempo, convirtiéndose en un sistema confiable, práctico que entrega una gran protección
sísmica a la estructura y sus componentes; y que ha tenido excelentes resultados en los proyectos
en donde se ha implementado.
El concepto de aislamiento de base es desacoplar al edificio o estructura de los componentes
horizontales del movimiento del suelo interponiendo elementos estructurales con rigidez
horizontal baja entre la estructura y la fundación. Esto permite “ablandar” la respuesta sísmica de
la estructura logrando una frecuencia fundamental que es mucha más baja que su frecuencia
como base fija y las frecuencias predominantes del movimiento del suelo. Visto de otra manera
para que quede completamente claro es que al introducir esta alta flexibilidad horizontal se
aumenta el período de la estructura alejándola de la zona de mayor energía sísmica. Siendo una
de las mejores soluciones práctica para minimizar simultáneamente los desplazamientos
interpisos (drifts) y las aceleraciones de los pisos de la estructura, concentrando los
desplazamientos en el nivel de aislamiento. (Para mayor referencia ver anexo A).
Un esquema general se presenta en la Fig. 2.1:
(a) (b)
Fig. 2.1 Esquema de dos tipos de edificios (a) Estructura sin aislación basal; (b)
estructura con aislación basal.
En resumen, el sistema de aislación debe satisfacer tres requisitos fundamentales:
Flexibilidad horizontal de modo de alargar el período fundamental de vibración de la
estructura a una zona de menor aceleración espectral.
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32. Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal
Amortiguamiento y disipación de energía, de modo de reducir la demanda de
deformación sobre el sistema de aislación
Resistencia para cargas de servicio, de manera de evitar vibraciones molestas.
2.2 TIPOS DE AISLACIÓN BASAL.
Existen diversos tipos de sistemas de aislación basal, cada uno con sus características
propias en cuanto a sus mecanismos de acción, materiales que lo componen, costos de
implementación, estudios teóricos acerca de ellos y tipos de estructuras en donde es más
conveniente usar. Todos ellos buscan el mismo fin, desacoplar la estructura del movimiento del
suelo, pero en este trabajo de tesis se decidió estudiar tres sistemas de aislación:
Aislador elastomérico convencional.
Aislador elastomérico con núcleo de plomo.
Aislador de péndulo friccional.
Las razones que fundamentan esta decisión son que
a) El respaldo teórico y experimental que existe en los tres sistemas, existen estudios de
importantes autores y universidades que permiten contar con datos confiables y
comprobados. Además estos estudios y experimentaciones se vienen realizando hace ya
bastantes años.
b) Muchos de los otros mecanismos combinan las características tanto de los aisladores
elastoméricos y fricciónales, por lo tanto entendiendo los principios de éstos, será más
fácil comprender los mecanismos de acción de otros sistemas, ya que tienen un
fundamento común.
c) La mayoría de los edificios aislados en el mundo están sobre algún tipo de estos
aisladores, existiendo parámetros de comportamiento. Ellos han demostrado proporcionar
un buen desempeño sísmico en las estructuras en que se han implementado, visto tanto en
los sismos de Northridge (Los Ángeles, 1994) y Kobe (Kobe, 1995), mostrando las
bondades de esta alternativas en cuanto a aumentar considerablemente el nivel de
seguridad para las estructura, las personas y la operabilidad después de un sismo.
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33. Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal
d) En Chile son los sistemas en los cuales existen estudios y mayor conocimiento, ya que
son lo que presentan condiciones acorde con las características del país y del tipo de
estructuración que se emplea, es más los edificios aislados que se han hecho en el país se
han construido esencialmente con aisladores elastomeritos convencionales y con núcleo
de plomo.
Para conocimiento general se pueden ver otros tipos de aisladores en el anexo A; además en este
mismo anexo se encuentran características mas detalladas de los aisladores que se describen a
continuación.
2.2.1 AISLADOR ELASTOMÉRICO CONVENCIONAL.
Los aisladores elastoméricos han ido evolucionando desde su creación para poder
cumplir de mejor manera con los requerimientos deseados, llegando a la configuración actual la
cual entrega la seguridad de que tendrá un buen desempeño. Estos aisladores son apoyos
elastoméricos laminados, intercalando un conjunto de láminas de goma con delgadas placas de
acero unidas por un proceso de vulcanización; las láminas alternadas de goma pueden
deformarse en un plano horizontal entregando la flexibilidad que permite al edificio moverse
lateralmente bajo el movimiento producido por un sismo. Estos apoyos poseen una alta rigidez
vertical inhibiendo la expansión lateral de la goma que resulta de la presión vertical de la
estructura. Los aisladores elastoméricos laminados cuentan en sus extremos superior e inferior
con dos placas de acero con las cuales se conecta a la superestructura en su parte superior y a la
fundación en su parte inferior.
En la mayoría de los diseños de aisladores elastoméricos se utiliza la geometría de un cilindro,
ya que con esto las propiedades del aislador no se ven afectadas por la dirección de la carga
horizontal aplicada, repartiéndose los esfuerzos uniformemente.
Dentro de los apoyos elastoméricos laminados podemos distinguir entre dos tipos
principalmente: aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento (LDR) y los aisladores
elastoméricos de alto amortiguamiento (HDR).
2.2.1.1 AISLADOR ELASTOMÉRICO DE BAJO AMORTIGUAMIENTO (LDR).
Consisten en aisladores que se utiliza goma natural con un punto bajo de amortiguación,
poseen las mismas características mencionadas en el punto anterior con la salvedad que se utiliza
una goma de baja capacidad de amortiguación, las laminas de acero impiden las expansiones
laterales de la goma y proveen de alta rigidez vertical, pero no tienen efecto sobre la rigidez
horizontal que es controlada por el bajo modulo al esfuerzo de corte que posee el elastómero.
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34. Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal
Un esquema de un aislador LDR se presenta en la Fig. 2.2:
Fig. 2.2 Esquema de aislador bajo
amortiguamiento (LDR).
2.2.1.2 AISLADOR ELASTOMÉRICO DE ALTO AMORTIGUAMIENTO (HDR).
El aislador elastomérico de alto amortiguamiento tiene la misma disposición mencionada
en el punto anterior de ir intercalando láminas de goma con delgadas capas de acero, pero en este
caso se utiliza una goma que además de entregar la flexibilidad y rigidez requerida, se diferencia
de los elastómeros comunes por que posee como propiedad natural un alto amortiguamiento,
logrado a través de agregar sustancias químicas al compuesto.
Estos dispositivos han sido usados e instalados en una variedad de edificios en Japón, los
Estados Unidos, e Italia. Un ejemplo de aisladores de alto amortiguamiento es en la
reconstrucción y mejoramiento con partes nuevas del Hearst Memorial Mining Building
mostrado en la siguiente Fig. 2.3:
Fig. 2.3 Ejemplos de aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento.
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35. Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal
2.2.2 AISLADOR ELASTOMÉRICO CON NÚCLEO DE PLOMO (LRB).
Los aisladores con núcleo de plomo son conexiones multicapas de goma y acero
intercaladas parecidas al LDR, pero estos tienen uno o más orificios circulares en donde se
introducen los tapones de plomo, para entregar mayor amortiguación al sistema de aislación. Por
lo general el sistema cuenta con un solo núcleo de plomo inserto en el centro del aislador. Un
corte esquemático de un LRB es presentado en la Fig. 2.4:
Fig. 2.4 Corte esquemático de aislador con núcleo de
plomo donde se aprecia la disposición de las láminas
de goma-acero, y del núcleo de plomo.
2.2.3 AISLADOR DE PENDULO FRICCIONAL (FPS).
El sistema de péndulo friccional (FPS) es un dispositivo que consigue el efecto de
aislación a través de un mecanismo deslizante unido a un efecto pendular. El FPS consiste en un
deslizador articulado (Slider) que se mueve sobre una superficie de acero inoxidable, que tiene la
característica de ser esférica cóncava, ante un movimiento sísmico se producirá un
desplazamiento del “slider” a lo largo de esta superficie disipando energía por fricción, y a la vez
como el desplazamiento se produce sobre una superficie curva hace que la misma carga vertical
transmitida por el “slider” genere una componente tangencial que es la responsable de centrar el
sistema. En la figura 2.5 se muestra un ejemplo de aislador péndulo friccional:
Fig.2.5 Aislador péndulo friccional.
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