Ing. Juan Andrés Oviedo, presidente AIE y Director Comité AIS-700

1. Aislamiento Sísmico de
Edificaciones y Puentes
- Consideraciones Fundamentales
de Diseño y Desempeño -
Ing. Juan Andrés Oviedo A., PhD
SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS

3. Contenido
1. Introducción: protección sísmica, TCRS, desempeño
sísmico
2. Fundamentos de Diseño y Desempeño

4. Desempeño Sísmico
- Filosofía -

5. Desempeño Sísmico
- Filosofía -

6. Desempeño Sísmico
- Filosofía -
1. Introducción – Protección Sísmica (TCRS)
2. Fundamentos de Aislamiento Sísmico para
Puentes
3. Presente: situación actual en Colombia• Qué se espera para edificaciones indispensables?
• Qué se espera para edificaciones de grupo de uso III?
• Se está alcanzando el nivel de desempeño esperado
para estas edificaciones?

7. Desempeño Sísmico
- Filosofía -
1. Introducción – Protección Sísmica (TCRS)
2. Fundamentos de Aislamiento Sísmico para
Puentes
3. Presente: situación actual en Colombia

8. Desempeño Sísmico
- Filosofía -
Armenia, 1999
Cali, 2016
México, 2017

9. Desempeño Sísmico
- Filosofía -
Qué se espera para el
caso de Puentes?
CCP-14

10. Desempeño Sísmico
- Diseño sísmico convencional -
Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas
de sismo, y para disipar energía sin colapsar (aceptación de
daño).
Columnas – Pilares
(subestructura)
Movimiento Sísmico
Superestructura
Estribo
Apoyos
Estribo
Cimentación Cimentación

11. Desempeño Sísmico
- Diseño sísmico convencional -
Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas
de sismo, y para disipar energía sin colapsar (aceptación de
daño).

12. Desempeño Sísmico
- Diseño sísmico convencional -
Pérdida de funcionamiento!
Pérdida de la estabilidad y colapso!
Desempeño inaceptable!

13. Desempeño Sísmico
- Diseño sísmico convencional -
Las columnas, vigas y muros se proyectan para soportar la carga
vertical y cargas de sismo. La disipación de energía se concentra
generalmente en las vigas (aceptación de daño).
Movimiento Sísmico

14. Protección contra Terremotos
- Objetivo de las TCRS -
Las Técnicas de Control de Respuesta Sísmica (TCRS)
han sido desarrolladas como una alternativa al diseño
convencional para un mejor control de la deformación lateral y
del daño sísmico, otorgando así un mayor nivel de seguridad
sísmico a las estructuras, a sus componentes y operación.
Building
swaying
slowly
Building
shaking
violently
Estructura
vibrando
suavemente
No day daños
Estructura
vibrando
fuertemente
Daños
considereables

15. Protección contra Terremotos
- Objetivo de las TCRS -
•Control(reducción) sobre desplazamiento lateral (derivas)
•Control(reducción) sobre la aceleración de piso
•Control sobre el desempeño esperado

16. Protección contra Terremotos
- Objetivo de las TCRS -
Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas
de sismo, sin presentar daño estructural y “garantizando” la
operación del puente.
Cuál desempeño es mejor para nuestra
infraestructura?
Para el caso de puentes:

17. Desempeño Sísmico
- Ecuación básica de diseño -
Factor de
seguridad
Capacidad –> Resistencia elementos
Demanda –> Fuerza del sismo
> 1.0
Diseño convencional:
aumentar la capacidad
(ductilidad, rigidez)
Diseño con TCRS:
disminuir la demanda
(sobre la estructura)
=

18. Desempeño Sísmico
- Estados límites -
Estado límite de resistencia protege:
Fluencia, fractura, inestabilidad, pandeo
Estado límite de servicio protege:
Operación, vibración, funcionalidad, confort, corrosión
Las TCRS se enfocan eficiente y
directamente en esta protección !!!

19. Contenido
1. Introducción: protección sísmica, TCRS, desempeño
sísmico
2. Fundamentos de Diseño y Desempeño

20. Principios de Aislamiento Sísmico
- Concepto básico : desacople del suelo -
con
globos?
fuerza
magnética?
con
ruedas?
con
deslizamiento?
terremoto

21. Principios de Aislamiento Sísmico
- Concepto básico : recentrado -
terremoto
con resortes con geometría

22. Principios de Aislamiento Sísmico
- Concepto básico : amortiguamiento -
amortiguador/disipador
tiempo
desplazamiento
Con amortiguamiento
adicional
terremoto
amortiguamiento adicional: disipadores y/o aisladores

23. Principios de Aislamiento Sísmico
- Efecto del aislamiento sísmico -
Video cortesía: Ing. René Lagos

24. Principios de Aislamiento Sísmico
- Reducción de la demanda de aceleración -
La reducción depende altamente de la forma espectral.
Recomendación: Se debe hacer estudio de sitio

25. Principios de Aislamiento Sísmico
- Aumento de la demanda de desplazamiento -
El incremento depende altamente de la forma espectral.
Recomendación: Se debe hacer estudio de sitio

26. Principios de Aislamiento Sísmico
- Influencia del amortiguamiento -
Recomendación: Amortiguamiento adecuado para controlar los
desplazamientos

27. Principios de Aislamiento Sísmico
- Influencia del suelo -
Estructuras aislados sísmicamente y localizadas sobre suelos blandos
pueden INCREMENTAR, en vez de REDUCIR, la demanda de
aceleración.
Aumento del período
Recomendación: Se debe hacer estudio de sitio

28. Principios de Aislamiento Sísmico
- Influencia del suelo -
Estructuras aislados sísmicamente y localizadas sobre suelos blandos
pueden presentar grandes desplazamientos.
Recomendación: Juntas de expansión y aisladores competentes
Aumento del período

29. Principios de Aislamiento Sísmico
- Rigidez de la estructura -
Puentes aislados sísmicamente soportados sobre pilares largos y flexibles,
y edificaciones muy altas generan poca eficiencia para el sistema de
aislamiento sísmico. Su periodo ya es suficientemente largo.
Sin embargo,
qué pasa con las aceleraciones
de piso y en el tablero?
- Pilares Altos -

30. Principios de Aislamiento Sísmico
- Rigidez de la estructura -
Edificaciones esbeltas son susceptibles de problemas de momento de
vuelco y tracción en las unidades de aislamiento.
H
L
Recomendación:
H/L < 5.0 - 6.0
Tiso > 2.0 - 3.0 Tfixed
Períodos aislados traslaciones sean dominantes
No se permite tracción en los aisladores/deslizadores

31. Principios de Aislamiento Sísmico
- Protección del daño -
•En estructuras convencionales no es posible reducir desplazamiento
lateral y aceleración de piso simultáneamente.
•En estructuras aisladas sísmicamente si!
Aceleración
Deformación
Est. convencional
Incremento del daño
Est. aislada

32. Principios de Aislamiento Sísmico
- Condiciones ideales para AS-
•En puentes/edificios localizados en suelos de rigidez media y alta.
•En puentes con pilares (subestructura) rígidos. Es decir, no tan
largos.
•En puentes proyectados con superestructuras continuas.
•En edificaciones rígidas, de periodo fundamental pequeño.
•En todo tipo de puente o edificación donde se quiera aumentar el
desempeño sísmico y proteger su operación.

33. Principios de Aislamiento Sísmico
- Implicación en el diseño -
Aislamiento
sísmico
Aislamiento
sísmico,
disipación de
energía
•Fuerzas de diseño por aumento del período
•Fuerzas de diseño por aumento
de amortiguamiento
Reducción en:
Aceleración de piso
Derivas

34. Principios de Aislamiento Sísmico
- Tipología de estructuras -
•Edificaciones gubernamentales, estaciones de bomberos, estaciones
de policía, edificios de telecomunicaciones.
•Hospitales, instituciones de atención de la tercera edad
•Institutos de investigación, centros de cómputo y datos.
•Todos los puentes
•Galerías de arte, museos y bibliotecas
•Plantas nucleares, estructuras de almacenamiento de materiales
peligrosos
•Sitios de interés cultural e histórico
•Edificaciones residenciales
Qué tipo de uso es apto para aislamiento?

35. Principios de Aislamiento Sísmico
- Ubicación interfaz de aislamiento -
Dispositivos para
aislamiento
•Aislamiento en la base
•Aislamiento a media altura
(no hay suficiente espacio,
excavación no es posible)

36. Principios de Aislamiento Sísmico
- Ubicación interfaz de aislamiento -
Columnas – Pilares
(subestructura)
Superestructura
Estribo
Aisladores
Estribo
Cimentación Cimentación
Juntas
especiales
•Aislamiento debajo del tablero del puente (lo mas frecuente)
•Aislamiento en la base de los pilares (en caso de pilares cortos)

37. Aislamiento Sísmico
- Dispositivos -
Núcleo de Plomo-LRB Alto amortiguamiento-HDRB
Componentes LRB Componentes HDRB

38. Aislamiento Sísmico
- Dispositivos -
MONO DUPLO
Componentes
MONO
Componentes DUPLO
D>300mm
Aisladores péndulo de fricción
TRIPLE

39. Aislamiento Sísmico
- Dispositivos -
Amortiguadores
Junta de Expansión
Deslizador

40. Aislamiento Sísmico
- Dispositivos -
∆ 𝑇= ±600 𝑚𝑚160𝑚𝑚 ≤ ∆ 𝐿≤ 2000 𝑚𝑚

41. Aislamiento Sísmico
- Instalación de dispositivos -
• Mano de obra calificada
• Supervisión de la calidad de instalación
• Condiciones especiales de obra
• Equipos adecuados

42. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Intensidad Sísmica Est. Convencional Est. Aislada
Leve Poco o sin daño Sin daño
Moderada Daño menor Sin daño
Fuerte Daño, operatividad puede ser
reestablecida con
reparaciones
Poco o sin daño,
operatividad continuada
Severa Daño extendido en casi todos
los elementos, reparaciones
mayores, colapso
Daño menor, operatividad
puede ser reestablecida
con reparaciones menores

43. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Fuerzasísmica
Deformación
Zona
elástica
Zona
inelástica
Falla
Est. Convencional
Est. Aislada
Est. con Disipación

44. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
•Aislar/desacoplar la edificación de los movimientos del suelo
•Soportar la carga vertical de la edificación
•Amortiguar la respuesta de la edificación
•Volver a la posición original después de un terremoto
•Muy rígidos (fuertes) en sentido vertical
•Muy flexibles (suaves) en sentido horizontal
Requisitos de los dispositivos de aislamiento:

45. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Movimientos del terreno:
Sismo de Diseño (DE) Sismo Máximo (MCE)
Edificación 10%/50, TR:475 años 2%/50, TR:2500 años
Puente 7%/75, TR:1000 años Mín: 7%/75, TR:1000 años
Máx: 2%/75, TR:3700 años

46. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
•Condiciones de servicio
Viento, temperatura, cargas impuestas, etc.
•Condiciones bajo sismo de diseño (DE)
Diseño de la subestructura y superestructura
No se permite levantamiento en aisladores
Pilares elásticos / superestructura rígida elástica
Límites de deriva y aceleraciones acordes con el desempeño
esperado
•Condiciones bajo el sismo máximo considerado (MCE)
Diseño y revisión de la integridad del sistema de aislamiento
No se permite levantamiento en aisladores
Comportamiento esencialmente elástico
Se permite daño pero no colapso
Revisión del “gap” para libre movimiento

47. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Espectro de diseño:
AASHTO
Reducción por
amortiguamiento
adicional

48. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Factor de reducción por
amortiguamiento B:
AASHTO

49. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Factor R:
•Tendencia para eliminar trabajo inelástico
en la estructura.
•La inelasticidad en la estructura modifica la
respuesta del sistema aislado.
•Trabajo elástico o esencialmente elástico NO es un
deseo, ES UNA NECESIDAD para el desempeño
apropiado.

50. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Factor R:
Edificación Puentes
R= 3/8 RO ≤ 2.0
R=1.0 subestructura
R=1.0 críticos
1.0 < R < 1.50 esenciales
R=1.5 otros

51. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Métodos de análisis para puentes:
•Método de análisis de un sólo modo
•Método de análisis dinámico multimodo
•Método de análisis dinámico cronológico
Métodos de análisis para edificaciones:
•Método de análisis FHE
•Método de análisis dinámico espectral
•Método de análisis dinámico cronológico
Recomendación:
Análisis dinámico espectral para el diseño
Análisis dinámico cronológico no lineal para verificación

52. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
0.80Teff
Períodos aislados
b>5%, B>1.0
Demás períodos
b=5%, B=1.0
Teff
Método de análisis dinámico multimodo / dinámico espectral

53. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Método de análisis dinámico cronológico
•Se incorporan características no lineales de los dispositivos de aislamiento
sísmico. Estructura lineal o no lineal.
•Se usa un conjunto de no menos 7 pares de registros de aceleración,
ajustados al espectro del sismo DE (norma/sitio).
•Se usa el mismo conjunto para la revisión bajo el sismo MCE.
•Se emplea para revisiones no lineales de todos los componentes del
puente o de la edificación, para la validación el desempeño sísmico
especificado en los criterios de diseño.
Recomendación:
Siempre se debe hacer una verificación no lineal de la
estructura. Para mi concepto: obligatorio!

54. Aislamiento Sísmico
- Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín

55. Aislamiento Sísmico
- Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín
Resistencia sísmica:
estructura en concreto
Fachada:
diagrid metálico
Proyecto
completo

56. Aislamiento Sísmico
- Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín
Interfaz de aislamiento:
debajo de la primera losa
12 aisladores + deslizadores
Subestructura:
columnas del sótano

57. Aislamiento Sísmico
- Ejemplo -
Soporte de fachada: “colgada”, soportada desde
la última losa + piso a piso

58. Aislamiento Sísmico
- Ejemplo -
Articulaciones en la base de
columnas
Entramado de vigas en acero se
cambio a concreto. Mayor rigidez
torsional
Comportamiento adecuado de la
fachada

59. Aislamiento Sísmico
- Ejemplo -

60. Aislamiento Sísmico
- Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín
Sin aislamiento Con aislamiento

61. Aislamiento Sísmico
- Filosofía de diseño y desempeño -
Sistemas
convencionales
Sistemas con
TCRS
En diferentes normativas están las condiciones para la aplicación de
cada tipo de análisis.

62. Aislamiento Sísmico
- Marco normativo en Colombia -
No existen
especificaciones
directas ni indirectas!
A.3.8 y A.3.9
FEMA 450
ASCE 7-05
Comité AIS-700
Norma AIS-700-19
Actualización
NSR-10

63. Aislamiento Sísmico
- Estado de la aplicación en Colombia -
23
12
Tipo de Estructura
Edificación Puente
16
11
5
12
Uso de la Estructura
Salud
Vivienda
Industria
Telecom.
Educativo
Vial
Levantamiento realizado por el Comité AIS-700

64. Aislamiento Sísmico
- Estado de la aplicación en Colombia -
Levantamiento realizado por el Comité AIS-700
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Cant.Proyectos
Puentes con aislamiento sísmico

65. Muchas Gracias !!!
Ing. Juan Andrés Oviedo A., PhD
SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS

66. Referencias
Seismic Isolation and Supplemental Energy Dissipation, Bridge Engineering
Handbook, CRC Press, 2000
LRFD-Based Analysiis and Design Procedures for Bridge Bearings and
Seismic Isolators, Technical Report MCEER-11-0004, 2001
Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 2010