Aislamiento sísmico Edificaciones

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

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

Desempeño Sísmico
- Filosofía -

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?

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

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

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

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

Desempeño Sísmico
de sismo, y para disipar energía sin colapsar (aceptación de
daño).

Desempeño Sísmico
Pérdida de funcionamiento!
Pérdida de la estabilidad y colapso!
Desempeño inaceptable!

Desempeño Sísmico
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

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

•Control(reducción) sobre desplazamiento lateral (derivas)
•Control(reducción) sobre la aceleración de piso
•Control sobre el desempeño esperado

de sismo, sin presentar daño estructural y “garantizando” la
operación del puente.
Cuál desempeño es mejor para nuestra
infraestructura?
Para el caso de puentes:

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)
=

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 !!!

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

- Concepto básico : recentrado -
terremoto
con resortes con geometría

- Concepto básico : amortiguamiento -
amortiguador/disipador
tiempo
desplazamiento
Con amortiguamiento
adicional
terremoto
amortiguamiento adicional: disipadores y/o aisladores

- Efecto del aislamiento sísmico -
Video cortesía: Ing. René Lagos

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

- Aumento de la demanda de desplazamiento -
El incremento depende altamente de la forma espectral.

- Influencia del amortiguamiento -
Recomendación: Amortiguamiento adecuado para controlar los
desplazamientos

- Influencia del suelo -
Estructuras aislados sísmicamente y localizadas sobre suelos blandos
pueden INCREMENTAR, en vez de REDUCIR, la demanda de
aceleración.
Aumento del período

- 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

- 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 -

- 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

- 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

- 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.

- 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

- 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?

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

- 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)

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

- Dispositivos -
MONO DUPLO
Componentes
MONO
Componentes DUPLO
D>300mm
Aisladores péndulo de fricción
TRIPLE

- Dispositivos -
Amortiguadores
Junta de Expansión
Deslizador

- Dispositivos -
∆ 𝑇= ±600 𝑚𝑚160𝑚𝑚 ≤ ∆ 𝐿≤ 2000 𝑚𝑚

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

- 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

Fuerzasísmica
Deformación
Zona
elástica
Zona
inelástica
Falla
Est. Convencional
Est. Aislada
Est. con Disipación

•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:

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

•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

Espectro de diseño:
AASHTO
Reducción por
amortiguamiento
adicional

Factor de reducción por
amortiguamiento B:
AASHTO

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.

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

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

0.80Teff
Períodos aislados
b>5%, B>1.0
Demás períodos
b=5%, B=1.0
Teff
Método de análisis dinámico multimodo / dinámico espectral

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!

- Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín

- Ejemplo -
Resistencia sísmica:
estructura en concreto
Fachada:
diagrid metálico
Proyecto
completo

- Ejemplo -
Interfaz de aislamiento:
debajo de la primera losa
12 aisladores + deslizadores
Subestructura:
columnas del sótano

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

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

- Ejemplo -

- Ejemplo -
Sin aislamiento Con aislamiento

Sistemas
convencionales
Sistemas con
TCRS
En diferentes normativas están las condiciones para la aplicación de
cada tipo de análisis.

- 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

- 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

- 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

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

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

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