Durante la ltima dcada el concepto de aislacin ssmica ha
comenzado a ser considerado
seriamente como una alternativa en el diseo sismorresistente de
estructuras, especialmente
en aquellos casos en que se busca un mejor desempeo ssmico para
las estructuras y sus
contenidos. El excelente desempeo que las estructuras aisladas
han tenido durante los
sismos. Estos avalan las bondades de esta alternativa en cuanto
a aumentar considerablemente el nivel de seguridad para las
personas y la operabilidad de la estructura despus de un sismo.
Actualmente, los conceptos de aislacin ssmica se ensean como
parte del currculo de
Ingeniera Civil en la mayora de las Universidades mundialmente
reconocidas,
innumerables investigaciones se han desarrollado para demostrar
la eficiencia de la
aislacin ssmica como una tcnica sismorresistente, y numerosos
dispositivos de aislacin
estn comercialmente disponibles para su implementacin en la
prctica.
Consecuentemente, se ha desarrollado una creciente necesidad de
suplementar los cdigos
ssmicos actualmente vigentes con requerimientos especficos para
estructuras aisladas.
Esta necesidad es compartida por los organismos encargados de la
construccin y el
pblico en general.Los primeros esfuerzos en la direccin de un
cdigo para el diseo de estructuras aisladas
ssmicamente fue publicado por el SEAOC (Structural Engineering
Association of
California), reconociendo la necesidad de lograr un documento
que represente una
opinin consensuada.Por otra parte, el Consejo de Seguridad
Ssmica para Edificios encomend la incorporacin
de requerimientos para el diseo de estructuras con aislacin
ssmica y disipacin de
energa.. REQUERIMIENTOS DE DISEO PARA ESTRUCTURAS AISLADAS
Es condicin esencial de una estructura aislada el que su
desempeo objetivo no solo
involucre la proteccin de la vida durante un sismo severo sino
tambin la reduccin del
dao de la estructura y sus contenidos. De esta forma, los
requerimientos de diseo que se
presentan en este documento son una combinacin de ambos
objetivos: proteccin a la vida
y reduccin del dao.
Como punto de partida, estos requerimientos definen dos niveles
ssmicos:Un nivel ssmico de diseo (SDI).
Un nivel ssmico mximo posible (SMP).El sismo de diseo coincide
con el nivel utilizado comnmente en el diseo de estructuras
convencionales consistente con una probabilidad de excedencia de
10% en 50 aos.El sismo mximo posible corresponde al mximo nivel de
movimiento del suelo que puede ocurrir dentro del marco geolgico
conocido y ha sido definido como el nivel que tiene una
probabilidad de excedencia de un 10% en un perodo de 100 aos.
Estos niveles de riesgo, que son consistentes con la tendencia
mundial en los cdigos de
aislacin ssmica, son distintos a los utilizados en la actual
norma chilena NCh433 lo
que ser reflejado a travs de un espectro de diseo que difiere
del contenido en dicha
norma. El nuevo espectro deber reflejar adems un nivel de
seguridad superior para el
sistema de aislacin debido a que su falla compromete
necesariamente la estabilidad
vertical de la estructura completa.
Para el diseo de estructuras aisladas se requiere que:
El sistema de aislacin sea capaz de sostener sin falla las
deformaciones y cargas correspondientes al SMP.
Anlogamente,cualquier sistema que cruce la interfaz de aislacin
debe ser diseado para acomodar el desplazamiento correspondiente al
SMP. Estas recomendaciones buscan adems que la superestructura
permanezca esencialmente elstica durante el sismo de diseo, a
diferencia de los requerimientos para estructuras con base fija que
buscan alcanzar solo un nivel de proteccin razonable para fallas
estructurales mayores y prdida de vidas, sin preocuparse en limitar
el dao o mantener las funciones dela estructura. La seguridad a la
vida se provee entonces a travs de requerir que el sistema tenga
una ductilidad adecuada para lograr esa reduccin, y permanezca
estable bajo la carga gravitacional sin dao masivo o falla para
desplazamientos que exceden con creces el lmite de fluencia del
sistema. Sin embargo, en un evento mayor, dao a elementos
estructurales, componentes no estructurales, y contenidos, son muy
probables en una estructura convencional.
Para una estructura convencional, su sobrevivencia para el SMP
no se verifica
explcitamente, y se maneja implcitamente a travs de mayor
ductilidad a conseguir
mediante el apropiado detallamiento de los elementos.
En estructuras aisladas la verificacin del desempeo de la
estructura para el SMP debe realizarse analtica y
experimentalmente. El criterio detrs de esta verificacin es proveer
evidencia que en el peor escenario ssmico posible, la estructura
aislada es al menos tan segura como la estructura convencional. Es
importante notar que los aisladores friccionales o elastomricos
convencionales utilizados permiten alcanzar sin mayor dificultad el
nivel de diseo correspondiente al SMP.
Primer Hospital Aislado en Sudamrica (Centro San Carlos, de la
Universidad Catlica)
De acuerdo con los requerimientos indicados en esta proposicin,
el diseo de una
estructura cumple con los siguientes objetivos de desempeo:
(1) Resistir sismos pequeos y moderados sin dao en elementos
estructurales,
componentes no estructurales, y contenidos del edificio.
(2) Resistir sismos severos sin que exista: (a) falla del
sistema de aislacin.
(b) Dao significativo a los elementos estructurales (c) Dao
masivo a elementos no estructurales (d) Interrupcin de la
operabilidad de la estructura.
Para cumplir con estos objetivos, los requerimientos propuestos
limitan la respuesta
inelstica de la superestructura a una fraccin menor de lo que se
permite para edificios
convencionales. Consecuentemente, el desplazamiento lateral de
una estructura durante un
sismo debe ocurrir en la interfaz de aislacin y no en la
superestructura. En un edificio
convencional sin aislacin, la estructura vibra como consecuencia
del movimiento del suelo. Si esta vibracin excede un cierto nivel,
se produce dao en la estructura y sus contenidos. Por el contrario,
en el edificio aislado los aisladores acomodan la deformacin
impuesta por el sismo, reduciendo el movimiento que se traspasa
hacia la estructura.
Los objetivos de desempeo establecidos arriba exceden
considerablemente a aquellos de
estructuras convencionales en sismos moderados y severos.
Construccin del Edificio San Agustn de la Facultad de Ingeniera
de la Universidad Catlica
PROYECTOS DE EDIFICACIN CON AISLACIN SSMICA EN CHILE
A la fecha existen cuatro edificios con aislacin ssmica en
Santiago:
(a) Conjunto habitacional Comunidad Andaluca, en la calle Lord
Cochrane, diseado y
construido entre los aos 1991 y 1992 dentro del marco de un
estudio de la Universidad de Chile.
(b) El centro mdico San Carlos de Apoquindo de la Universidad
Catlica de Chile
construido durante el ao 2000.
(c) Edificios contiguos San Agustn (2002)
(d) Hernn Briones (2003) de la Escuela de Ingeniera en el Campus
San Joaqun de la Universidad
Catlica.
El primero de ellos es un edificio de vivienda social
estructurado en base a muros de
hormign armado en su primer piso y de albailera confinada en los
otros tres, con 240 m2
distribuidos en 4 plantas y que cuenta con 6 aisladores
elastomricos de alto
amortiguamiento. El segundo, es un edificio de aproximadamente
8000 m2 distribuidos en seis pisos, y estructurado en base a marcos
dctiles de hormign armado. El edificio se encuentra aislado al
nivel de cielo del subterrneo con 52 aisladores de alto
amortiguamiento, 22 de los cuales cuentan con corazn de plomo. El
tercero es un nuevo edificio de cinco pisos de la Facultad de
Ingeniera de la Universidad Catlica de Chile que cuenta con 42
aisladores elastomricos de alto amortiguamiento y 14 aisladores
friccionales. El edificio, de una planta de 6000 m2
aproximadamente, est estructurado en base a un sistema dual de
muros de hormign armado y marcos gravitacionales. El sistema de
aislacin se ubica en este caso directamente sobre las fundaciones.
El cuarto que es contiguo al tercero amplindolo en 1900 m2, fue
construido con posterioridad, con una estructuracin similar. Los
ltimos tres edificios fueron diseados en base al cdigo de aislacin
ssmica UBC 1997 en zona ssmica mxima y verificados para una familia
de sismos chilenos. Los aisladores de todos estos edificios fueron
fabricados en Chile por la empresa VULCO S.A.
Comparacin de la Respuesta de un Edificio Sin Aislacin Basal y
uno Con Aislacin Basal
Aisladores:
Aisladores ssmicos elastomricos, algunos de ellos con corazn o
relleno de plomo, otros elastomricos de bajo amortiguamiento (LDR)
y alto amortiguamiento (HDR), el aislador de pndulo friccional y
los deslizadores tefln-acero (PTFE).
Aislador del Edificio San AgustnPREGUNTAS FRECUENTES SOBRE
AISLACIN SSMICA
1. Qu se entiende por aislacin ssmica?
Aislacin ssmica es una tcnica de diseo sismorresistente que
busca reducir la
energa que entra a una estructura durante un sismo a travs de
colocar dispositivos muy
flexibles horizontalmente (aisladores) entre las fundaciones de
un edificio o puente, y la
estructura arriba de ellos. El efecto que se busca es que el
suelo se mueva y la estructura
permanezca esencialmente quieta.
2. Cul es el objetivo de la aislamiento ssmica?
Los objetivos principales son dos: (a) mayor seguridad ssmica de
la estructura (y por
ende de las personas) a travs de la minimizacin o incluso
eliminacin de daos en ella, y
(b) salvaguardar los contenidos de la estructura manteniendo el
funcionamiento de ella
despus del sismo.
3. Cunto ms segura es una estructura aislada ssmicamente?
En general una estructura aislada es al menos 5 veces ms segura
que una estructura
convencional fija al suelo. De hecho, los esfuerzos producidos
por el sismo en la estructura
con aislacin ssmica son del orden de 10 veces ms pequeos que los
de una estructura
anloga fija al suelo. Esta reduccin de esfuerzos es la que
implica que la estructura
permanecer sin dao incluso durante un sismo de grandes
proporciones.
4. En qu se diferencia esta nueva tcnica del diseo actual de
estructuras
antissmicas?
El concepto de estructura antissmica no es correcto porque
cualquier edificio en Chile
(y cualquier otro pas ssmico) est diseado por razones de costo
para que sufra dao ante
un sismo severo. La filosofa de diseo dice que no debe colapsar,
pero puede quedar
seriamente daado. Para comprobar que los daos son extensos, y
que adems la seguridad
no queda en realidad garantizada, basta observar lo ocurrido con
los edificios de Los
Angeles (Northridge, 1994), Japn (Kobe 1995), Turqua (1999),
Grecia (1999), y Taiwn
(1999). Un edificio convencional no compite en seguridad con uno
aislado, y mucho menos
en costo de siniestralidad.
5. Existen edificios aislados de importancia en Chile ?
Hay ya tres edificios mayores con aislacin ssmica y uno en etapa
de proyecto. El
primero es el Centro Mdico de la Universidad Catlica en Camino
del Alba con San
Carlos de Apoquindo (8000 m2
). El segundo el Edificio San Agustn de la Escuela de Ingeniera,
en el Campus San Joaqun de la Universidad Catlica (6000 m2
). Y el tercero es
el Edificio Hernn Briones, contiguo al anterior, y tambin de la
Escuela de Ingeniera
(1900 m2
). En etapa de construccin est el nuevo Hospital Militar de La
Reina que contar
con un muy importante y extenso sector (41000 m2
) aislado ssmicamente. Tambin hay
puentes con aislacin ssmica (p.ej., Rodelillo, Marga-Marga, Ro
Blanco).
Fig. 5 Ensayo de un Aislador en el Laboratorio de Dinmica
Estructural de la Universidad Catlica
6. Por qu no existen ms edificio en Chile con aislamiento ssmica
si la tcnica es
tan atractiva?
La razn principal es un retraso en el desarrollo tecnolgico.
Edificios con aislamiento
ssmica son comunes en pases desarrollados y experimentaron un
comportamiento muy
exitoso durante los devastadores terremotos de Kobe y
Northridge. Slo en Japn se
construyeron ms de 80 hospitales y 400 edificios con aislamiento
ssmica entre 1997 y
1998. Sin embargo, el diseo de estructuras con aislamiento
ssmica requiere de
profesionales capacitados en esta nueva tcnica que est en
proceso de transferencia a la
prctica chilena. Tambin incide el desconocimiento y el temor al
cambio por parte de los
potenciales usuarios. 7. Dnde se fabrican los dispositivos de
aislacin?
Existen numerosos proveedores de aisladores ssmicos en el mundo
entre los que se
encuentran Bridgestone (Japn), Andr (Inglaterra),
Skellerup-Oiles (Nueva Zelandia), DIS
(Estados Unidos), y VULCO (Chile).
8. Cul es el costo del sistema de aislamiento ssmica?
El costo del sistema de aislamiento es tpicamente del orden de
0.5 a 1.0 UF/m2
,
dependiendo de la solucin adoptada. Este costo se compensa
varias veces si en el anlisis
econmico se considera que en la alternativa sin aislacin la
estructura, los elementos no
estructurales (las terminaciones), y los contenidos, afrontarn
elevados costos de reparacin
o sustitucin cuando ocurra sismo de gran intensidad que con casi
certeza van a
experimentar. Es importante recordar que en los edificios el
costo las terminaciones supera
al de la estructura, y que en muchos casos el valor de los
contenidos es muy superior al de
la estructura. Por otra parte, el hecho que la estructura tenga
esfuerzos 10 veces menores
puede llegar a permitir ahorro en costos directos de
construccin; lograrlo depende en gran
medida de una coordinacin oportuna entre la Arquitectura e
Ingeniera del proyecto.
9. Qu ocurre con los ductos de instalaciones que cruzan el nivel
de aislacin?
Existen numerosas soluciones de conexiones flexibles (muy
sencillas y baratas tales
como un doble codo) que permiten acomodar las deformaciones
entre el suelo y el edificio.
Soluciones de este tipo han sido implementadas en el Centro
Mdico San Carlos de la
Universidad Catlica y en los edificios San Agustn y Hernn
Briones de la Escuela de
Ingeniera, en el Campus San Joaqun.
10. Cul es la duracin de los sistemas de aislacin?
Los aisladores estn garantizados por una vida til de 50 aos
mnimo. El diseo se
hace proveyendo a los aisladores de una fijacin que les permite
ser fcilmente removidos y
cambiados en cualquier momento sin interrumpir el funcionamiento
del edificio.
11. Cmo se verifica la calidad de los aisladores?
Los aisladores son ensayados en forma dinmica uno a uno antes de
ser colocados en
el edificio. Estos ensayos son extraordinariamente exigentes y
permiten garantizar las
propiedades de rigidez y amortiguamiento de los aisladores.
BREVE RESUMEN HISTRICO DE LA AISLACIN SSMICA EN EL MUNDO
Era moderna comienza en Nueva Zelanda en 1970
Primera aplicacin en Japn es de 1982 (casa pequea)
Primera aplicacin en EEUU es de 1985 (San Bernardino)
Antes de 1995 existan 85 edificios aislados en Japn, 35 de los
cuales eran de
propiedad de constructoras, centros de investigacin, o de
fabricantes de aisladores Durante Kobe (1995), dos estructuras
aisladas soportaron el movimiento ssmico sin
problemas (Matsumura-Gumi, WJPSCC)
Durante Northridge (1994), cinco estructuras fueron sometidas a
movimientos
significativos (p.e., USC, FCC)
Primer edificio en Chile es en 1992 (Comunidad Andaluca)
Posteriormente al terremoto de Kobe, el crecimiento de la
aislacin ssmica en
Japn es abrupto; 20 edificios por mes
Aproximadamente 600 edificios aislados en Japn para 1998
Aproximadamente 40 edificios aislados en EEUU para 1998
Promedio de altura de edificios aislados antes de 1995 era entre
4 y 5 pisos;
actualmente es en promedio mayor a 8 pisos
Primer hospital aislado ssmicamente en Chile, ao 2000
Nuevo Edificio de la Facultad de Ingeniera de la UC, ao 2001
Hospital Militar 2002
Curso optativo en los currculum de Ingeniera de varias
universidades en Chile,
desde 1995
DISIPACIN DE ENERGA
Todas las estructuras vibrantes disipan energa producto de
esfuerzos internos, rozamiento,
rotura, deformaciones plsticas, etc. Mientras mayor es la
capacidad de disipacin de
energa, menor ser la amplitud de las vibraciones. Algunas
estructuras tienen muy poco
amortiguamiento, por lo que experimentan grandes amplitudes de
vibracin incluso para
sismos moderados. Los mtodos que incrementan la capacidad de
disipacin de energa son
muy efectivos para reducir la amplitud de la vibracin.
Los sistemas pasivos de disipacin de energa abarcan distintos de
materiales y dispositivos
que mejoran el amortiguamiento, rigidez y resistencia de una
estructura. Estos pueden ser
usados tanto para la reduccin de amenazas naturales, como para
la rehabilitacin de
estructuras daadas o con estructuras deficientes. En los ltimos
aos, se han emprendido
serios esfuerzos para convertir el concepto de disipacin de
energa, o amortiguamiento
adicional, en una tecnologa factible y un nmero considerable de
estos dispositivos han
sido instalados en estructuras a lo largo de todo el mundo. En
general, todos se caracterizan
por su capacidad de mejorar la disipacin de energa de los
sistemas estructurales en los
cuales se instalan. Esto puede ser alcanzado ya sea por la
conversin de energa cintica en
calor, o por la transferencia de energa entre modos de vibracin.
El primer mtodo incluye dispositivos que operan en base a
principios tales como la friccin, fluencia de metales,
transformaciones de fase en metales, deformaciones de slidos
viscoelsticos o fluidos. El segundo mtodo incluye la incorporacin
de osciladores adicionales, los cuales actan como absorbedores de
vibraciones dinmicas.
ESTRUCTURAS INTELIGENTES
Una de las ms significativas innovaciones tecnolgicas en el
campo de la ingeniera
estructural ha sido, sin duda, el desarrollo de las llamadas
estructuras inteligentes (EI). Aunque a simple vista son similares
a la estructuras convencionales, las EI estn dotadas de un sistema
computacional que se encarga simultneamente de monitorear los
movimientos del edificio a travs de un sistema de sensores, y de
accionar, si es necesario, uno o varios dispositivos
electro-mecnicos con el propsito de reducir tales movimientos al
mnimo posible. La Figura 6 ilustra esquemticamente este
concepto.
Esquema de una Estructura InteligenteLa inteligencia del sistema
radica, en primer lugar, en la ubicacin estratgica de los
Dispositivos.
En segundo lugar, en conocer cul es la intensidad de las fuerzas
que stos
entregan a la estructura, como tambin el instante en que dichas
fuerzas deben aplicarse, de
modo de contrarrestar las fuerzas debidas al sismo.
Existe hoy en da una gran variedad de EI, cuya eficacia ha sido
probada por numerosas
investigaciones en todo el mundo. La gran mayora de ellas se
encuentran en Japn, donde
existe un incentivo especial para que las empresas inviertan en
el desarrollo de nuevas
tecnologas. muestra el amortiguador activo denominado HIDAX,
Esquema de Instalacin en un Piso de un Marco
Estructuralrecientemente desarrollado por la compaa japonesa Kajima
Corporation, lder mundial en
esta fascinante tecnologa.
Es importante resaltar que si bien resulta poco atractivo
actualmente usar los tipos ms
sofisticados de EI en Chile por razones de costo, no es menos
cierto que algunos tipos muy
simples pero muy eficientes de EI podran ser hoy desarrolladas a
un costo muy
competitivo usando nuestra propia tecnologa y conocimientos. Es
muy probable que en un futuro prximo, y gracias al constante
abaratamiento de la
tecnologa, muchos de los edificios importantes que se construyan
en el mundo sean EI.
Seguramente, el mayor costo de tal inteligencia estar en el
conocimiento experto que
surge del trabajo mancomunado entre la investigacin cientfica y
la industria, lo cual
constituye un gran desafo para la ingeniera y las universidades
chilenas.
Aspectos arquitectnicos
Los aspectos arquitectnicos dependen del tipo de disipador
de energa que se instale en la estructura. En general,
los dispositivos de disipacin se distribuyen en toda la
altura
de las estructuras, para tomar ventaja de las deformaciones
y velocidades de entrepiso a que se ven sometidas lasde
estructurasestructuras durante eventos ssmicos. En estructuras
donde
las deformaciones y velocidades de entrepiso son bajas, es
comn utilizar dispositivos que abarcan dos, tres e incluso
ms pisos. Del mismo modo, los dispositivos suelen colocarse
en puntos alejados de los centros de gravedad de las
plantas del edificio, tpicamente fachadas, a fin de mitigar
efectos de torsin en las estructuras.
Los disipadores de energa se encuentran disponibles en
gran variedad de tamaos. Los disipadores viscosos,
viscoelsticos,
o friccionales pueden estar ocultos dentro de
muros o tabiques. Los amortiguadores de masa sintonizada
por su parte, que tpicamente se colocan a nivel de techo
de las estructuras, requieren de recintos de mayor tamao
especialmente habilitados para ellos, dimensionados
considerando
los desplazamientos mximos de los dispositivos
en caso de sismo severo.
Los disipadores de energa, independientemente de su
tipologa, deben ser instalados en puntos de la estructura
donde puedan ser inspeccionados con posterioridad a sismos
severos, y donde se les pueda dar mantencin en los
casos en que se requiera.
En todas las estructuras donde se utilizan dispositivos de
disipacin de energa, se recomienda considerar su uso desde
las etapas iniciales del proyecto, a fin de mitigar el
impacto
en arquitectura de su incorporacin.
Beneficios y limitaciones de uso
Beneficios:
Los dispositivos de disipacin de energa
aumentan el nivel de amortiguamiento de las estructuras,
reduciendo los esfuerzos y deformaciones en ellas y sus
contenidos. Los esfuerzos, aceleraciones y deformaciones
inducidos por un sismo en una estructura con sistemas de
disipacin de energa, pueden ser entre un 15 a 40% menor
que los correspondientes a una estructura sin disipadores,
logrando reducir el dao producido a elementos estructurales
y no estructurales.
Limitaciones de uso:
Algunos tipos de disipadores pueden
requerir ser reemplazados parcial o totalmente luego de
sismos excepcionalmente severos. Del mismo modo, algunos
tipos de disipadores, que si bien reducen las demandas
en la estructura, pueden incrementar la probabilidad de que
se produzcan deformaciones residuales permanentes en las
estructuras.