Aislación Sísmica de un Edificio de Oficinas de Siete Pisos. (Análisis ...

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

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…..”

ÍNDICE GENERAL Índice General......................................................................................................

Índice Tablas........................................................................................................

Índice de Figuras..................................................................................................

Índice de Ecuaciones............................................................................................

Índice de Anexos..................................................................................................

Resumen...............................................................................................................

Summary..............................................................................................................

Capitulo I Introducción

1.1. Antecedentes Generales..........................................................................

1.1.1. Ingeniería Sísmica........................................................................

1.1.2. Costos Económicos en Edificios Producidos por Sismos............

1.2. Objetivos y Alcances..............................................................................

1.2.1. Objetivo Generales......................................................................

1.2.2. Objetivos Específicos..................................................................

1.2.3. Alcances......................................................................................

1.3. Metodología...........................................................................................

Capitulo II Fundamentos y Sistemas de Aislación Basal

2.1. Antecedentes Generales..........................................................................

2.2. Tipos de Aislación Basal........................................................................

2.2.1. Aislador Elastomérico Convencional..........................................

2.2.1.1.Aislador Elastomérico de Bajo Amortiguamiento (LDB).....

2.2.1.2.Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento (HDR).....

2.2.2. Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo (LRB)..................

2.2.3. Aislador Péndulo Friccional........................................................

2.2.4. Experiencia Mundial y Chilena...................................................

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i

Capitulo III Caracterización Estructural del Edificio

3.1. Caracterización Estructural del Edificio Tradicional..........................

3.2. Caracterización Estructural del Edificio Aislado................................

3.3. Modelación Computacional en SAP2000...........................................

3.3.1. Antecedentes Generales...........................................................

3.3.2. Modelación de la Estructura Convencional.............................

3.3.3. Modelación de la Estructura Aislada.......................................

Capitulo IV Análisis y Diseño de la Estructura Convencional

4.1. Análisis Modal Tridimensional de la Estructura Según NCh 433 Of.

96.........................................................................................................

4.2. Diseño de la Estructura Tradicional Según Código ACI 318-02........

Capitulo V Norma de Aislamiento Basal, una Nueva

Filosofía de Diseño

5.1. Antecedentes Generales......................................................................

5.2. Filosofía de Diseño de la NCh 2745 Of 2003.....................................

5.3. Procedimientos de Análisis.................................................................

5.4. Aplicaciones Generales de la NCH 2745 al Edificio Vanguardia......

Capitulo VI Aislamiento Basal de la Estructura

6.1. Condiciones Generales en el Diseño de la Aislación Basal................

6.2. Estudio de Alternativas de Aislación Basal Para la Estructura..........

6.2.1. Diseño de los Sistemas de Aislación.......................................

6.2.2. Diseño del Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento

(HDR).......................................................................................

6.2.2.1.Procedimiento de Diseño de un Aislador...........................

6.2.2.2.Diseño del Aislador............................................................

6.2.3. Diseño del Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo

(LRB).......................................................................................

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6.2.3.1. Procedimiento de Diseño de un Aislador...........................

6.2.3.2. Diseño del Aislador............................................................

6.2.4. Diseño del Aislador de Péndulo Friccional (FPS)...................

6.2.4.1.Procedimiento de Diseño de un Aislador..........................

6.2.4.2.Diseño del Aislador...........................................................

6.2.5. Propiedades de la Modelación Bilineal...................................

Capitulo VII Análisis y Diseño de la Estructura Aislada

7.1. Análisis Dinámico No Lineal de la Estructura...................................

7.1.1. Definición de Registros............................................................

7.1.2. Resultados del ADNL Aplicado al Edificio Vanguardia.........

7.1.2.1.Verificación y Elección del Sistema de Aislación.............

7.1.2.1.1. Desplazamiento del Sistema de Aislación.............

7.1.2.1.2. Desplazamiento Relativo de la Superestructura.....

7.1.2.1.3. Aceleraciones Absolutas en la Superestructura.....

7.1.2.1.4. Corte Basal de la Superestructura..........................

7.1.2.2.Comparación de Comportamiento de Estructura

Convencional Versus Estructura Aislada...........................

7.1.2.2.1. Desplazamientos Relativos de la Estructura

Aislada y Base Fija................................................

7.1.2.2.2. Aceleración Absoluta de la Estructura Aislada y

Base Fija.................................................................

7.1.2.2.3. Corte Basal de la Estructura Aislada y Base Fija...

7.2. Diseño de la Estructura Aislada..........................................................

Capitulo VIII Estudios Comparativo de Costos del

Edificio Vanguardia

8.1. Antecedentes Generales.......................................................................

8.2. Estimación de Costos Totales del Edificio Vanguardia

Convencional Versus Edificio Vanguardia Aislado...........................

8.2.1. Estimación de Costos Directos del Edificio Vanguardia

Convencional Versus Edificio Vanguardia Aislado................

8.2.2. Estimación de Costos Indirectos del Edificio Vanguardia

Convencional Versus Edificio Vanguardia Aislado................

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iii

Capitulo IX Conclusiones

Bibliografía

Anexo A Antecedentes Sobre la Aislación Basal

Anexo B Detalles y Configuración del Edificio Vanguardia

Anexo C Respuesta del Edificio Vanguardia Aislado para el

Registro de Llolleo

191

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227

iv

INDICE TABLAS


Tabla 1.1 Pérdidas económicas producidas por diferentes terremotos

en Centroamérica............................................................................

Tabla 1.2 Costos producidos por el terremoto de 1999 en Colombia.............

Tabla 1.3 Pérdidas económicas directas producidas por diferentes

terremotos en el mundo durante los años 1972 – 1990..................


Tabla 4.1 Presiones básicas de viento...........................................................

Tabla 4.2 Valor aceleración efectiva............................................................

Tabla 4.3 Parámetros Sísmicos.....................................................................

Tabla 4.4 Coeficiente de importancia...........................................................

Tabla 4.5 Períodos del Edificio Vanguardia.................................................

Tabla 4.6 Distribución en altura del corte basal...........................................

Tabla 4.7 Deformaciones entrepisos o drift para Edificio Vanguardia

dirección X..................................................................................

Tabla 4.8 Deformaciones entrepisos o drift para Edificio Vanguardia

dirección Y..................................................................................

Tabla 4.9 Esfuerzos para Elementos Edificio Vanguardia...........................

Tabla 4.10 Resumen de áreas de acero y armaduras de los elementos del

Edificio Vanguardia......................................................................

Capitulo V Norma de Aislamiento Basal, una Nueva Filosofía de

Diseño

Tabla 5.1 Definición parámetros de espectro de diseño, según NCh 2745

Of 2003..........................................................................................

Tabla 5.2 Parámetros necesarios definir para estructuras aisladas definidas

en la NCh 2745 Of 2003................................................................

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v


Tabla 7.1 Características de los Registros usados en el análisis de historia

en el tiempo....................................................................................

Tabla 7.2 Resultados del análisis modal del Edificio Vanguardia con el

sistema HDR..................................................................................


sistema Mixto.................................................................................


sistema FPS....................................................................................

Tabla 7.5 Deformaciones del sistema de aislación para el registro de

Melipilla.........................................................................................

Tabla 7.6 Valores de deformación relativa respecto al suelo para los

distintos niveles del Edificio Vanguardia con cada sistema

de aislación.....................................................................................

Tabla 7.6 Valores máximos de drift por cada nivel del Edificio Vanguardia

aplicado el registro de Melipilla.....................................................

Tabla 7.6 Valores máximos de aceleraciones absolutas por cada nivel

del Edificio Vanguardia aplicado el registro de Melipilla.............

Tabla 7.7 Valores máximos de cortes basales por cada nivel del Edificio

Vanguardia aplicado el registro de Melipilla.................................

Tabla 7.8 Valores Máximos de Drift del Edificio Vanguardia Base Fija y

Factores de Reducción por Nivel Respecto al Edificio

Aislado...........................................................................................

Tabla 7.9 Valores Máximos de Aceleraciones Absolutas del Edificio

Vanguardia Base Fija, y Factores de Reducción por Nivel

Respecto al Edificio Aislado.......................................................

Tabla 7.10 Valores Máximos de Esfuerzos de Corte del Edificio

Vanguardia Base Fija, y Factores de Reducción por

Nivel Respecto al Edificio Aislado.............................................

Tabla 7.11 Resultado del esfuerzo de Corte para Análisis Espectral

del Edificio Vanguardia..............................................................

Tabla 7.12 Desplazamientos de entrepisos para el Edificio Vanguardia

y Limites.....................................................................................

Tabla 7.13 Resultados de Esfuerzos para el Edificio Vanguardia según

Nivel con Análisis Espectral de la NCh 2745.............................

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vi

Tabla 7.14 Resultados de Cuantías para el Edificio Vanguardia según

Nivel, con Análisis Espectral de la NCh 2745 y sus

Correspondientes Armaduras......................................................

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....................................

Capitulo VIII Estudios Comparativo de Costos del Edificio

Vanguardia

Tabla 8.1 Resumen de Cubicaciones de la Obra Gruesa del Edificio

Vanguardia Convencional y Aislado.............................................

Tabla 8.2 Precios Unitarios para Aisladores..................................................

Tabla 8.3 Resumen de Costos Directos del Edificio Vanguardia

Convencional Versus Aislado........................................................

Tabla 8.4 Determinación de los costos por concepto de daños de la

estructura del edificio Vanguardia.................................................

Tabla 8.5 Determinación de los costos por concepto de daños y perdidas de

contenidos del edificio Vanguardia...............................................

Tabla 8.6 Determinación de los costos por concepto de lucro cesante del

edificio Vanguardia........................................................................

Tabla 8.7 Resumen de los costos totales del edificio Vanguardia..................

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......................................

Figura 2.2 Esquema de aislador bajo amortiguamiento (LDR).....................

Figura 2.3 Ejemplos de aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento..

Figura 2.4 Corte esquemático de aislador con núcleo de plomo...................

Figura 2.5 Aislador péndulo friccional..........................................................

Figura 2.6 Fire Command and Control Facility, Los Angeles.......................

Figura 2.7 Corte de Apelaciones, San Francisco...........................................

Figura 2.8 Parlamento de Nueva Zelanda.....................................................

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Figura 2.9 Edificio de Telecom, Ancona, Italia.............................................

Figura 2.10 Clínica San Carlos de Apoquindo, Santiago, Chile....................

Figura 2.11 Edificio San Agustín de la Pontificia Universidad Católica de

Chile Santiago, Chile................................................................

Figura 2.12 Maqueta del Hospital, Militar, Santiago Chile...........................

Capitulo III Caracterización Estructural del Edificio

Figura 3.1 Planta de Estructuras Cielo Subterráneo.......................................

Figura 3.2 Planta de Estructura Cielo 1° Piso.................................................

Figura 3.3 Planta de Estructura de Cielo 2° Piso............................................

Figura 3.4 Planta de Estructura Cielo 3° al 4° Piso........................................

Figura 3.5 Planta de Estructura Cielo 6° Piso.................................................

Figura 3.6 Planta de Estructura Variante Cielo 5° Piso..................................

Figura 3.7 Planta de Estructuras Cielo Sala de Máquinas..............................

Figura 3.8 Corte Esquemático 1-1..................................................................

Figura 3.9 Corte Esquemático 2-2..................................................................

Figura 3.10 Corte Esquemático 5 – 5..............................................................

Figura 3.11 Corte Esquemático 6 – 6..............................................................

Figura 3.12 Corte Esquemático del Sistema de Aislación..............................

Figura 3.13 Distribución en planta de los aisladores que son todos del

mismo tipo...................................................................................

Figura 3.13 Distribución en planta del sistema que cuenta con dos tipos de

aisladores....................................................................................

Figura 3.14 Representación tridimensional del modelo de base fija, sector

frontal..........................................................................................

Figura 3.15 Representación tridimensional del modelo de base fija, sector

posterior......................................................................................

Figura 3.16 Vista de los aisladores realizando un corte en el nivel del cielo

subterráneo inferior.....................................................................

Figura 3.17 Vista de los aisladores realizando un corte en el nivel del cielo

subterráneo superior....................................................................


Figura 4.1 Espectro NCh 433 Of 96, en dirección X......................................

Figura 4.2 Espectro NCh 433 Of 96, en dirección Y......................................

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viii

Figura 4.3 Espectro reducido NCh 433 Of 96, en dirección X.......................

Figura 4.4 Espectro reducido NCh 433 Of 96, en dirección Y.......................


Diseño

Figura 5.1 Probabilidad de excedencia de un cierto nivel de aceleración

máxima del suelo, para zona sísmica 3........................................

Figura 5.2 Definición del espectro de diseño de pseudoaceleración............


Figura 6.1 Esquema de la configuración del aislador HDR............................

Figura 6.2 Esquema de la configuración del aislador LDR............................

Figura 6.3 Esquema de la configuración del aislador FPS.............................

Figura 6.4 Esquema del modelo bilineal.........................................................

Figura 6.5 Curvas histeréticas de un aislador HDR, analizados para el

proyecto del Hospital Militar.........................................................

Figura 6.6 Curvas histeréticas de un aislador LRB, analizados para el

proyecto del Hospital Militar.........................................................

Figura 6.7 Curva de histéresis de dispositivo deslizador friccional utilizado

en Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica....................


Figura 7.1 Componentes horizontales de aceleración de los registros de

Melipilla y Llolleo, registrados durante el

terremoto del 3 de marzo de 1985.................................................

Figura 7.2 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores

HDR, modo traslacional en X........................................................

Figura 7.3 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores

HDR, modo traslacional en Y........................................................

Figura 7.4 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores

HDR, modo rotacional en Z...........................................................

Figura 7.5 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema mixto,

modo traslacional en X..................................................................

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ix

Figura 7.6 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con sistema

mixto, modo traslacional en Y.......................................................

Figura 7.7 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema mixto,

modo torsional en Z.......................................................................

Figura 7.8 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS,

modo traslacional en X..................................................................

Figura 7.9 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS,

modo traslacional en Y..................................................................

Figura 7.10 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS,

modo rotacional en Z..................................................................

Figura 7.11 Deformación de los sistemas de aislación, en la dirección X,

aplicando el registro de Melipilla...............................................

Figura 7.12 Deformación de los sistemas de aislación, en la dirección Y,


Figura 7.13 Respuesta del Edificio Vanguardia, deformación relativa,

respecto al nivel de fundación, aplicando el registro de

Melipilla......................................................................................

Figura 7.14 Respuesta en el Tiempo de los Drift del Edificio Vanguardia...

Figura. 7.15 Respuesta del Edificio Vanguardia, aceleraciones absolutas,


Figura 7.16 Respuesta en el Tiempo de la Aceleración Absoluta del

Edificio Vanguardia....................................................................

Figura 7.17 Respuesta del Edificio Vanguardia para los cortes basales,


Figura 7.18 Respuesta en el Tiempo del Corte Basal del Edificio

Vanguardia..................................................................................

Figura 7.19 Respuesta de los desplazamientos máximos por nivel para la

estructura convencional y aislada con el registro Melipilla........

Figura 7.20 Desplazamientos máximos de cada nivel de la estructura

aislada y base fija, por sobre el nivel de aislación......................

Figura 7.21 Comparación de la Respuesta en el Tiempo de los

Desplazamiento Relativos del Edificio Vanguardia Aislado

y Base Fija..................................................................................

Figura 7.22 Respuesta del comportamiento de las aceleraciones absolutas

para Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija, aplicado el

Registro de Melipilla..................................................................

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x

Figura 7.23 Comparación de la Respuesta en el Tiempo de las

Aceleraciones Absolutas del Edificio Vanguardia Aislado

y Base Fija..................................................................................

Figura 7.24 Respuesta del comportamiento de esfuerzos de corte para

Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija, aplicado el registro

de Melipilla.................................................................................

Figura 7.25 Comparación de la Respuesta en el Tiempo del esfuerzo de

Corte del Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija.....................

Figura 7.26 Espectro definido por la NCh 2745 para el Diseño de

Estructuras Aisladas, caso Particular Edificio Vanguardia........

Capitulo VIII Estudios Comparativo de Costos del Edificio

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........

Figura 8.2 Resumen de diferentes tipos de costos del edificio Vanguardia

convencional versus Aislado......................................................


Figura A1.1 Efecto de la amortiguación sobre la aceleración.......................

Figura A1.2 Efecto del amortiguamiento sobre los desplazamientos............

Figura A1.3 Espectro de pseudo-aceleración para el registro de Llolleo

para razones de amortiguamiento de 5, 10 y 15%......................

Figura A1.4 “Gráfico Universal de Cortes Basales Equipotenciales”...........

Figura A1.5 Deslizador friccional.................................................................

Figura A1.6 Dispositivo VPJ.........................................................................

Figura A1.7 Aislador friccional con anillo de goma.....................................

Figura A1.8 Aislación de piso.......................................................................

Figura A1.9 Rieles cosenoidales....................................................................

Figura A1.10 Curva de histéresis típica para un aislador de bajo

amortiguamiento, LDR............................................................

Figura A1.11 Curva fuerza-deformación típica de un aislador HDR.............

Figura A1.12 Curva de histéresis para un aislador LRB................................

Figura A1.13 Sistema de fricción pura...........................................................

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xi

Figura A1.14 Analogía entre el péndulo tradicional y el sistema de

péndulo friccional....................................................................

Figura A1.15 Aislador de péndulo friccional (FPS), con sus principales

componentes............................................................................

Figura A1.16 Curva típica de histéresis para un aislador FPS.......................

Figura A1.17 Diagramas de equilibrio dinámico para FPS en un modelo

plano.........................................................................................

Figura A1.18 Diagramas de equilibrio dinámico para FPS, en un modelo

tridimensional...........................................................................

Figura A1.19 Efecto de µ en la respuesta del FPS...........................................

Figura A1.20 Efecto de R en la respuesta del FPS..........................................

Figura A1.21 Comparación de una respuesta en el tiempo de un sistema

con y sin FPS.µ = 0.05, R = 5 mt.............................................

Anexo B Detalles y Configuración del Edificio Vanguardia

Figura B1.1 Vista panorámica de la elevación frontal del edificio

Vanguardia..................................................................................

Figura B1.2 Detalle de vista de elevación frontal...........................................

Figura B1.3 Vista de la elevación posterior del edificio Vanguardia.............

Figura B1.4 Sector lateral del edificio Vanguardia, donde existe una mayor

concentración de muros y se encuentran las cajas de escaleras

y ascensor....................................................................................

Figura. B1.5 Segundo sector lateral donde existe una importante

concentración de muros...............................................................

Figura B1.6 Nivel de techo y sala de máquinas del edificio Vanguardia.......

Figura B1.7 Detalle del sector de la Caja de Escalas......................................

Figura B1.8 Vista del nivel del subterráneo, y ubicación de los aisladores

y elementos de conexión del sistema de aislación......................

Figura B1.9 Aislador puesto en su posición y operativo, se señalan las

vigas de conexión y los tensores.................................................

Figura. B1.10 Aislador que cuenta con elemento de protección ignifugo y

contra agentes externos............................................................

Figura B1.11 Vista de la disposición de un aislador que se ubica sobre un

muro.........................................................................................

Figura. B1.12 Paso de la estructura de una escalera por la interfaz de

aislación y su solución.............................................................

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xii

Figura B1.13 Solución constructiva para la caja de ascensor cuando esta

cruza la interfaz de aislación....................................................

Figura B1.14 Conexión flexible, para servicios como agua, electricidad,

gas............................................................................................

Figura B1.15 Exterior del edificio Clínico, con juntas y separaciones para

permitir el movimiento entre la parte fija y aislada de la

estructura..................................................................................

Figura B1.16 Disposiciones y condiciones para el funcionamiento de una

rampla de acceso en un edificio aislado...................................

Anexo C Respuesta del Edificio Vanguardia Aislado para el

Registro de Llolleo

Figura C1.1 Deformación del sistema de aislación en X del Edificio

Vanguardia, para registro de Llolleo..........................................

Figura C1.2 Deformación del sistema de aislación en Y del edificio

Vanguardia, para el registro de Llolleo......................................

Figura C1.3 Respuesta del Edificio Vanguardia, deformación relativa,

respecto al nivel de fundación, aplicando el registro

de Llolleo....................................................................................

Figura C1.4 Respuesta en el Tiempo de los Drift del Edificio Vanguardia,

Registro Llolleo..........................................................................

Figura C1.5 Respuesta del Edificio Vanguardia de las aceleraciones

absolutas, aplicando el registro de Llolleo..................................

Figura C1.6 Respuesta en el Tiempo de la Aceleración Absoluta del

Edificio Vanguardia, Registro de Llolleo...................................

Figura. C1.7 Respuesta del Edificio Vanguardia para los cortes basales,

aplicando el registro de Llolleo..................................................

Figura C1.8 Respuesta en el Tiempo del Corte Basal del Edificio

Vanguardia, Registro de Llolleo.................................................

INDICE DE ECUACIONES


Ecuación 1.1 Balance de energía del sismo y la estructura...........................

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3

xiii


Ecuación 4.1 Definición de Espectro de Diseño.............................................

Ecuación 4.2 Factor de amplificación α..........................................................

Ecuación 4.3 Factor de reducción R*..............................................................

Ecuación 4.4 Relación para establecer valor del Drift y su rango según

NCh 433...................................................................................


Diseño

Ecuación 5.1 Expresiones para el desplazamiento de diseño y máximo de la

Estructura.................................................................................

Ecuación 5.2 Expresiones para el desplazamiento de diseño total y máximo

total de la estructura..............................................................


Ecuación 6.1 Rigidez horizontal total del sistema de aislación HDR............

Ecuación 6.2 Rigidez horizontal de un aislador............................................. Ecuación 6.3 Relación para establecer el área del aislador HDR..................

Ecuación 6.4 Altura total de goma necesaria en el aislador...........................

Ecuación 6.5 Factor de forma, S, para un aislador.........................................

Ecuación 6.6 Relación para el numero de capas de goma.............................. Ecuación 6.7 Tensión de tracción máxima en las placas de acero.................

Ecuación 6.8 Tensión admisible en las placas de acero................................. Ecuación 6.9 Relación de verificación entre tensión máxima y admisible....

Ecuación 6.10 Altura parcial del aislador....................................................... Ecuación 6.11 Altura total del aislador...........................................................

Ecuación 6.12 Rigidez vertical de un aislador................................................ Ecuación 6.13 Expresión para determinar el modulo de compresión del

conjunto goma-acero................................................................

Ecuación 6.14 Frecuencia para un aislador.....................................................

Ecuación 6.15 Deformación angular máxima total.........................................

Ecuación 6.16 Deformación angular asociada al corte...................................

Ecuación 6.17 Deformación angular asociada a la compresión......................

Ecuación 6.18 Deformación axial media de la capa de goma.........................

Ecuación 6.19 Deformación máxima admisible..............................................

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69

xiv

Ecuación 6.20 Expresión para la carga critica de pandeo............................... Ecuación 6.21 Expresión para rigidez de corte efectiva.................................

Ecuación 6.22 Área de corte efectiva.............................................................. Ecuación 6.23 Carga de alabeo para una columna..........................................

Ecuación 6.24 Expresión para la rigidez a la inclinación o tilting.................. Ecuación 6.25 Desplazamiento máximo para la verificación al

volcamiento.............................................................................

Ecuación 6.26 Rigidez horizontal total del sistema de aislación Mixto.......... Ecuación 6.27 Relación para establecer el área del aislador LRB..................

Ecuación 6.28 Relación para establecer al área de plomo del aislador........... Ecuación 6.29 Rangos óptimos para el diámetro de plomo............................

Ecuación 6.30 Factor de forma, S, para un aislador LRB............................... Ecuación 6.31 Altura parcial del aislador y altura total del núcleo

de plomo..................................................................................

Ecuación 6.32 Rigidez horizontal propia del aislador LRB............................

Ecuación 6.33 Rigidez horizontal efectiva para el aislador LRB....................

Ecuación 6.34 Fuerza de fluencia del aislador LRB....................................... Ecuación 6.35 Expresión para la rigidez vertical del aislador LRB................

Ecuación 6.36 Rigidez horizontal total del sistema de aislación FPS............

Ecuación 6.37 Radio de curvatura de un aislador FPS....................................

Ecuación 6.38 Expresión para determinar la rigidez post – deslizamiento de

un aislador FPS........................................................................ Ecuación 6.39 Expresión para determinar fuerza de activación del sistema

FPS...........................................................................................

Ecuación 6.40 Área de contacto de slider....................................................... Ecuación 6.41 Dimensión horizontal del aislador FPS....................................

Ecuación 6.42 Carga transmitida a la placa inferior en un aislador FPS......... Ecuación 6.43 Carga resistida por la placa inferior en un aislador FPS..........

Ecuación 6.44 Equilibrio de resistencias de la placa inferior.......................... Ecuación 6.45 Altura total del aislador FPS....................................................

Ecuación 6.46 Energía disipada por un aislador HDR.................................... Ecuación 6.47 Segunda expresión para la energía disipada por un

aislador HDR...........................................................................

Ecuación 6.48 Desplazamiento de fluencia.....................................................

Ecuación 6.49 Expresión para el amortiguamiento efectivo para HDR..........

Ecuación 6.50 Energía disipada por un aislador LRB.....................................

Ecuación 6.51 Amortiguamiento efectivo para un aislador LRB...................

Ecuación 6.52 Desplazamiento de fluencia para aislador FPS.......................

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109

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xv

Ecuación 6.53 Energía disipada por un aislador FPS......................................


Ecuación 7.1 Fuerza o corte lateral total de diseño sísmico en los

elementos por debajo del sistema de aislación.........................

Ecuación 7.2 Fuerza o corte lateral total de diseño sísmico en los

elementos de la superestructura...............................................


Ecuación A.1 Fuerza restauradora en una dimensión para el sistema FPS...

Ecuación A.2 Fuerza restauradora bidireccional para el sistema FPS...........

Ecuación A.3 Fuerza restauradora tridimensional para el sistema FPS........

Ecuación A.4 Expresión para la fuerza normal, caso deformaciones

pequeñas...................................................................................

Ecuación A.5 Igualdad de fuerzas compacta..................................................

Ecuación A.6 Coeficiente de fricción.............................................................

Ecuación A.7 Expresión para el período aislado para sistema FPS................

INDICE DE ANEXOS

Anexo A Antecedentes sobre Aislación Basal...............................................

Anexo B Detalles y Configuración del edificio Vanguardia.........................

Anexo C Respuesta del Edificio Vanguardia Aislado para el Registro de

Llolleo............................................................................................

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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.

C A P I T U L O 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

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

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

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

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

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 Nicaragua

1972 6.2 dólares

Terremoto de 1,1 billones de Guatemala

1976 7.5 dólares

Terremoto de 1,4 billones de El Salvador

1986 5.7 dólares

Terremoto de 188.3 millones de Costa Rica

1991 7.6 dólares

Fuente CEPREDENAC

6

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

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

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

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.

10

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

11

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.

12


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.

13


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.

14


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.

15


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.

16


2.2.4 EXPERIENCIA MUNDIAL Y CHILENA.

El concepto de aislación basal esa ahora ampliamente aceptado en regiones del mundo

propensas a sufrir terremotos, es así que actualmente existen más de 300 estructuras en todo el

mundo con algún tipo de aislación basal. En los terremotos de Northridge, USA (1994) y Kobe,

Japón (1995) se pudo comprobar con éxito las ventajas de la aislación sísmica al observar el

excelente comportamiento de los edificios aislados frente a los convencionales.

Existen muchos ejemplos en Estados Unidos y Japón, algunos a mencionar en Norteamérica son:

Foothill Communities Law and Justice Center; Fire Command and Control Facility, Los Angeles

(Fig. 2.6), California estos se encuentran aislados con HDR; un edificio de oficinas para la

empresa AutoZone fue construido utilizando aisladores HDR y LRB en conjunto; la reparación

del Oakland City Hall se realizó con LRB y el caso mencionado de Court of Appeals (Fig. 2.7)

que fue refaccionado protegiéndolo con FPS.

El caso de Japón existen muchos edificios aislados como ser: West Japan Postal Center; en este

pías existe una gran cultura sísmica, lo cual se incremento después del terremoto de Kobe, ya

que antes de este evento la cantidad de edificios aislado era de 80, para luego crecer a un ritmo

de 20 edificios aislados por mes.

Otro país importante sísmicamente es Nueva Zelanda, fue en este país en donde se invento los

aisladores con núcleo de plomo, por lo cual muchos de sus edificios aislados son con LRB, entre

ellos tenemos: Union House en Auckland, el National Museum y el Parlamient House (Fig. 2.8).

En Italia también se han desarrollados proyectos que cuentan con aislación sísmica, el edificio de

Telecom en Ancona, cuenta con un sistema de apoyos HDR (Fig. 2.9).

Fig. 2.6: Fire Command and Control Fig. 2.7: Corte de Apelaciones, San

Facility, Los Angeles. Francisco.

17


Fig. 2.8: Parlamento de Fig. 2.9: Edificio de Telecom,

Nueva Zelanda. Ancona, Italia.

El aislamiento basal ha ido tomando mayor importancia y confianza, debido a los buenos

resultados que han entregado, en los países altamente sísmicos se esta implementando

fuertemente. Chile a pesar de no poseer altos recursos para investigación, también se ha

involucrado en el estudio e implementación del aislamiento basal.

El primer edificio con aislación basal en Chile fue diseñado y construido en 1992, corresponde al

Condominio Andalucía, este se realizó como un esfuerzo unido entre los profesores y los

investigadores de la Universidad de Chile, el Ministerio de Vivienda, y el profesor James Kelly

de la Universidad de California; el edificio consiste en una estructura de 4 pisos soportado por 8

aisladores de goma de amortiguamiento medio (MDB).

El siguiente edificio fue producto de un proyecto desarrollado en el Universidad Católica de

Chile, fue el Hospital UC (Fig. 2.10) construido el año 2000, la estructura es de 6 pisos y consta

de 30 aisladores de alta amortiguación (HDR) y 22 apoyos elastoméricos con núcleo de plomo

(LRB), siendo el primer hospital aislado sísmicamente en el país.

Fig. 2.10, Clínica San Carlos de

Apoquindo, Santiago, Chile.

18


En el año 2002 se construyó la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica (Fig. 2.11), esta

estructura es de 5 pisos y tiene 25 aisladores de alto amortiguamiento (HDR), 17 LRB y 11

dispositivos deslizantes fricciónales.

Fig.2.11, Edificio San Agustín de

la Pontificia Universidad Católica

de Chile Santiago, Chile

Por último el más reciente edificio con aislación basal en el país, es el Hospital Militar (Fig.

2.12), construido durante el año 2004, con la superficie más extensa aislada (50.000 m2), el

edificio tiene pisos, con 164 aisladores, de ellos 114 MDB y 50 LRB.

Fig. 2.12: Maqueta del Hospital

Militar, Santiago Chile.

19

Caracterización Estructural del Edificio

C A P I T U L O III

CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL

DEL EDIFICIO

3.1 CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO TRADICIONAL.

El edificio Vanguardia se ubica en la zona urbana de la ciudad de Concepción, consta de 7

pisos sobre el nivel del terreno y un nivel de subterráneo. El subterráneo esta destinado a

funcionar como estacionamiento, los 6 primeros pisos a oficinas, siendo el séptimo piso para una

sala de máquina. La altura del edificio máxima quiere decir considerando el nivel del

subterráneo es de 25 mt, y considerando solo la parte sobre el nivel de suelo es de 22 mt; con una

superficie a construir de aproximadamente 5914 mt2, con un peso aproximado de 5310 Ton. Las

dimensiones típicas en planta corresponden al orden de 23 mt por 35,85 mt y una altura de

entrepiso típica de 3.2 mt.

La tipología estructural del edificio se define como mixto de hormigón armado, con ejes

resistentes en dos direcciones principales; contando con 22 ejes resistentes, 11 corresponden a

marcos de hormigón armado y 11 a muros de hormigón armado. Es mixto porque cuenta con una

zona central bien definida compuesta por un sistema de pórticos sismorresistentes constituidos

por columnas y vigas de hormigón armado, con columnas del orden de 0,60x0.60 mt y vigas de

0.40 y 0.25 mt de ancho con alturas de 0.52 mt; bajo las cuales se encuentran muros interiores de

mampostería que sirven para dividir las oficinas, esta zona se presenta en toda la altura del

edificio constituyendo su núcleo central, solo el subterráneo difiere en esta zona, ya que solo

presenta pilares y vigas para lograr el mayor espacio libre para su buen funcionamiento. Las

zonas de muros se presentan principalmente en la periferia del edificio, en las zonas donde se

encuentran los vanos por escaleras y ascensor, y entre los ejes 1 y 7 y ejes 10 y 11, quiere decir

en los extremos del edificio, y el nivel de subterráneo esta compuesto por muros en sus cuatro

lados. La sala de máquina es de dimensión reducida se encuentra entre los ejes 3 -7 y C-J,

constituidas por una combinación de muros y vigas. El edificio además cuenta en varias partes

de vigas de gran peralte del orden de 110 a 170 cm. de altura. En toda su altura posee un sistema

de losas de hormigón armado, en el primer nivel de 20 cm. de espesor y en el resto de 12 cm. lo

que genera el efecto de diafragma para la estructura. La escalera y el ascensor se encuentran

entre los ejes 3-4 en un costado del edificio, esta es la parte en donde se encuentran todos los

vanos en planta que presenta la estructura. La fundación del edificio corresponde a un sistema de

zapatas corridas bajo cada eje resistente.

20


Un hormigón con resistencia cilíndrica de f ‘c = 300 kg/cm2 y acero con una tensión de fluencia

de f y = 4200 kg/cm2, son las especificadas para las construcción del edificio.

La estructura no presenta ejes de simetrías, por lo menos en forma completa. Pero es rescatable

mencionar dos ejes en los cuales presenta una simetría parcial. En torno el eje E se presenta una

simetría en toda la altura del edifico pero sólo entre los ejes 7-13, ya que entre 1-7 la distribución

en torno a este eje no es totalmente simétrica; y en la zona central del edifico se presenta una

simetría en torno al eje 8’, esto solo entre los ejes 7-10.

A continuación en las figuras 3.1 a la 3.11 se presentan las plantas estructurales de los diferentes

niveles y unas vistas representativas para el mejor entendimiento de la conformación del

edificio.

Fig. 3.1 Planta de Estructuras Cielo Subterráneo.

Fig. 3.2 Planta de Estructura Cielo 1° Piso.

21


Fig. 3.3 Planta de Estructura de Cielo 2° Piso.

Fig. 3.4 Planta de Estructura Cielo 3° al 4° Piso.

22


Fig. 3.5 Planta de Estructura Cielo 6° Piso.

Fig. 3.6 y 3.7 Planta de Estructura Variante Cielo 5° Piso y Planta de Estructuras Cielo Sala de

Máquinas.

23


Fig. 3.8 Corte Esquemático 1-1.

Fig.3.9 Corte Esquemático 2-2.

24


Fig. 3.10 Corte Esquemático 5 – 5.

Fig. 3.11 Corte Esquemático 6 – 6.

25


3.2 CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICO AISLADO.

La estructura aislada presenta las mismas características que las mencionadas para la

estructura tradicional, la única diferencia es el sistema de aislación y algunas pequeñas

modificaciones en el cielo del subterráneo necesarias para el buen desempeño de los aisladores.

El sistema de aislación está situado en el cielo del subterráneo, evitando así la construcción de

una losa de piso adicional en el edificio y además con esto se provee de un sistema de acceso a

los aisladores, para su inspección y posible recambio según sea el caso.

El sistema de aislación consta de 27 aisladores de base; los cuales se disponen de tal manera que

se sitúen en los elementos que trasmiten la carga de la superestructura a la subestructura, ya sea

en pilares o en muros, conectados por vigas de amarre, con los correspondientes pedestales de

tope y de apoyo, en los lugares donde sea necesario una mayor área para la colocación del

aislador. La configuración de los aisladores en la parte central del edificio no fue complicada, ya

que era claro que estarían ubicados debajo de los pilares de de 60/60, conectados por vigas de

40/60, entregando los elementos de conexión y el área suficiente para los aisladores, pero entre

los ejes 3 – 7 y 10 – 12 la situación no era tan directa, existiendo varias configuraciones posibles,

se decidió por la que se piensa que entrega los mejores resultados y es que en estas zonas los

aisladores se ubicaron sobre y debajo muros, generalmente en sus extremos o en el encuentro

con otros muros, generando en estos lugares pedestales tanto de apoyo como de tope, para hacer

posible el anclaje de los aisladores, es interesante mencionar ciertos puntos del edificio como ser

la caja del ascensor en la cual uno de los muros que la conforman cuenta con aisladores, por

razones constructivas no se puede colocar estos aisladores en el nivel del cielo del subterráneo,

sino que se encuentran en la base del edificio conectado a la fundación, siendo los únicos que

presentan esta característica, no representando ningún problema para el funcionamiento en

conjunto del sistema, con respecto al sector de la escalera los muros que conforman esta caja se

encuentran aislados siendo importante tener en cuenta que el muro que se encuentra en el eje F

es uno de los que tiene los mayores esfuerzos en esta zona, por lo cual era indispensable que

estuviera aislado, finalmente existe un aislador que se encuentra en 5 L el cual a simple vista su

posición más razonable era 3’ L, pero se decidió por la primera debido a la continuidad en altura

que tenia el eje.

En el plano inferior del sistema de aislación se disponen vigas de dimensión pequeña (V 40/40)

conectando los aisladores, generando un efecto mas que nada de tensores que permiten mantener

una rigidez adecuada en el nivel porque este sector cuenta con una alta densidad de pilares y

consiguiendo un buen funcionamiento del conjunto de aisladores.

La losa que servirá de piso para el primer nivel será del espesor de la losa cielo subterráneo, 20

cm la cual se ubica sobre el sistema de aislación apoyada en las vigas de 60/60 o los muros

correspondientes.

26


Dentro de las posibilidades constructivas y del punto de vista de utilidad se trato de ubicar los

aisladores de tal forma de evitar y contrarrestar la torsión en el edificio, lo cual se volvió un poco

más laborioso en el sector periférico del edificio específicamente en donde se encuentran las

cajas de ascensor y escaleras, ya que esta zona es bastante asimétrica.

Para efecto del estudio de ésta tesis el edificio se considero aislado sobre tres distintas

configuraciones, dos de ellas significan que el edificio se encuentra aislado sobre un solo tipo de

aislador, estas son con aislador elastomérico de alto amortiguamiento (HDR) y el sistema de

péndulo friccional (FPS), y un tercera en la cual se incluyen aisladores elastoméricos con núcleo

de plomo (LRB) en conjunto con aisladores de alto amortiguamiento, ya que se consideró poco

conveniente y apropiado que el sistema fuera exclusivamente de LRB, y la experiencia de las

construcciones realizadas en Chile, es típicamente ocuparlos en la zona perimetral del edificio

para ayudar a controlar la torsión que se pueda presentar y entregar una mayor rigidez inicial.

En el caso particular del edificio Vanguardia se opto por ésta distribución para analizar si era

conveniente desde el punto de vista de resultados introducir estos dispositivos; se ubicaron 9

aisladores LRB en ciertos puntos estratégicos de la zona perimetral del edificio en los cuales

existe cierta seguridad de que se optimizara y aprovechara de la mejor manera su desempeño, el

resto de los dispositivos consistió en HDR.

En cuanto a la configuración de los elementos estructurales que conforman el edificio, con la

implementación del sistema de aislación y si éste entrega los resultados esperados de disminuir

la solicitación sobre los elementos, se podría disminuir las secciones de los elementos

estructurales, ya sea vigas, pilares o muros, lo cual se puede hacer y puede llagar a ser

recomendable desde el punto económico, en este trabajo de tesis se evaluara el momento del

diseño cuidadosamente esta opción, siendo a priori las mismas secciones de los elementos

estructurales presentes en la estructura convencional los que se utilizan para la modelación y

análisis del edificio aislado, lo que no se descarta es el cambio en la armadura necesario para

cada elemento lo cual se verá en el capitulo VIII.

Al momento de la realización de esta tesis el edificio Vanguardia se estaba construyendo en

forma convencional, teniendo en carpeta la realización de su versión pero aislado.

Para tener mayores referencias acerca de la configuración del edificio y del sistema de aislación

ver el anexo B.

A continuación en al figura 3.12 se presenta la disposición en altura del sistema de aislación, en

la figura 3.13 la distribución en planta de los aisladores en el caso que todos son del mismo tipo

(HDR y FPS) y en la figura 3.14 la distribución de los aisladores que incluye dos sistemas en

conjunto (LRB con HDR).

27


Fig. 3.12 Corte Esquemático del Sistema de Aislación.

Fig. 3.13 Distribución en planta de los aisladores sísmicos que son todos del mismo tipo.

28


Fig. 3.13 Distribución en planta del sistema que cuenta con dos tipos de aisladores sísmicos,

amarillo son LDR y verdes HDR que son todos del mismo tipo.

3.3 MODELACIÓN COMPUTACIONAL EN SAP2000.

3.3.1 ANTECEDENTES GENERALES.

La modelación de la estructura con base fija y aislada se realiza en el programa SAP2000

Advance 9.0.3.

Se decidió por este programa por las ventajas y funciones de análisis que posee, en él se pude

modelar sin problema la estructura tridimensional, contando con las opciones de aplicar variados

tipos de análisis; además la principal razón de utilizar el SAP2000 como herramienta de análisis,

es que tiene la posibilidad de incluir en el modelo los sistemas de aislación, tanto los

elastoméricos como el friccional de muy buena forma, incluyendo sus principales características,

con lo cual en la salida de datos se refleja los efectos de que un sistema de esta índole se

29


encuentre en la estructura, inclusive en la norma chilena de análisis y diseño de edificios con

aislación sísmica se señala como unos de los programas posibles de usar para conseguir buenos

resultados.

El modelo estructural que se emplea para el análisis de la estructura de base fija es prácticamente

el mismo que el de base aislada, la diferencia radica en los aisladores en si y los elementos,

nodos adicionales necesarios para la conexión de los aisladores con la superestructura y la

subestructura.

3.3.2 MODELACIÓN DE LA ESTRUCTURA CONVENCIONAL.

La modelación de la estructura de base fija se hizo en forma detallada considerando todos

los elementos de la estructura, las únicas salvedades fueron las escaleras, las cuales no se

consideraron dejando el vano, simulando su efecto de restricción contra un muro con una viga; y

dos pilares circulares que van en el frontis de la estructura por considerar que no tenían

influencia estructural.

Se consideró la base del edificio empotrada al suelo. Para el sistema que conforma el piso en

cada nivel no se utilizó el constrain de diafragma, ya que se crearon las losas siendo estas junto

con las uniones a vigas y pilares suficientes para generar el efecto de rigidez y la resistencia

suficiente para lograr la distribución de las fuerzas inerciales entre los planos y subestructura

verticales resistentes.

Las masas que son necesarias para el análisis modal se consideran a través de los elementos más

un porcentaje que se agrega de la sobrecarga por medio del mass source y no de puntos o joints

en los cuales se concentre estas propiedades, esto por considerar la primera opción más real.

Para la carga sísmica en la estructura convencional, se utilizó el análisis modal espectral

contemplado en la norma NCh 433 Of. 96, ingresando el espectro correspondiente a las

características sísmicas de la estructura, realizando el análisis en dos direcciones ortogonales

entre si.

En la figuras 3.14 y 3.15 se muestra dos vistas tridimensionales representativas de la estructura

convencional

30


Fig. 3.14 Representación tridimensional del modelo de base fija, sector frontal.

Fig. 3.15 Representación tridimensional del modelo de base fija, sector posterior.

31


3.3.3 MODELACIÓN DE LA ESTRUCTURA AISLADA.

En la modelación de la estructura aislada, como se ha mencionado se consideran en

general las mismas características de la estructura convencional, agregando todos los elementos

propios del sistema de aislación, de conexión y de apoyo de estos. Si bien es cierto que la

incertidumbre acerca de la respuesta de la superestructura se reduce al utilizar un sistema de

aislación basal, porque principalmente permanecerá en el rango elástico, siendo posible un

menor detalle de ella se prefiere dejar el mismo nivel de detalle que en el análisis convencional

para poder evaluar de mejor manera la distribución de esfuerzos y deformaciones. En el sistema

de aislación propiamente tal este se modeló con las precauciones de considerar la distribución

espacial de los aisladores, las traslaciones y torsiones, determinación de fuerzas volcantes, y

otros efectos como ser carga vertical, velocidad de carga, etc. En todos estos requerimientos se

encuentra una de las razones para escoger al SAP2000 para la modelación computacional, ya que

además de estar recomendado por la norma, tiene las ventajas de analizar casos más complejos,

como se el caso del edifico Vanguardia en el cual existe estructura bajo el nivel de aislación, y

también se pueden ingresar constitutivas no lineales. Para esto se utilizó el comando Nllink,

elementos de conexión no lineal que se fundamentan en un comportamiento histerético similar al

propuesto por Park, Wen y Arg (1986) , en el cual se pueden representar el aislador con su

comportamiento no lineal, este tipo de comando se puede utilizar ya que los aisladores usados en

este estudio tienen la característica que su comportamiento puede se modelado a través de un

modelo histerético bilineal, las propiedades necesarias para generar el modelo bilineal en

SAP2000 son: la rigidez efectiva y amortiguamiento efectivo para la parte lineal y de la rigidez

post – fluencia, la fuerza de fluencia en al cual comienza a funcionar el aislador para los casos de

los aisladores elastoméricos, ya sea HDR o LRB, para el caso de péndulo friccional (FPS) se

agregan a las propiedades anteriores el coeficiente de fricción y el radio de curvatura. En estos

elementos se utiliza el comportamiento bilineal histerético para dos de los grados de libertad, los

de desplazamiento en el plano horizontal del edificio, considerando que los restantes cuatro

grados de libertad (axial y las tres rotaciones) son lineales. Entre los parámetros que describen el

modelo es interesante mencionar que la rigidez efectiva para el caso cuando tiene

comportamiento lineal es necesaria que se especifique para los dos grados de libertad no lineales,

ya que este parámetro si bien es cierto no es usado directamente en el análisis no lineal en el

tiempo si es usado indirectamente. También se ha visto que la selección de este valor puede

afectar la velocidad de la convergencia en el procedimiento de solución iterativa, pero no afecta

la exactitud de la solución.

Las propiedades para el comportamiento bilineal de los dispositivos se obtiene del diseño de

ellos, referente al modelo mismo en SAP2000 se realizó la separación entre el cielo del

32


subterráneo y el primer piso, dejando el espacio para crear el aislador través de el elemento

Nllink, ya que también existía la posibilidad de generar un solo punto donde concentrar las

propiedades o de un segmento, se prefirió por esta última opción por considerar que es más real

y que entregará mejores resultados.

Un esquema de la modelación del caso aislado se muestra en la figura 3.16 y 3.17:

Fig. 3.16 Vista de los aisladores (en rojo) realizando un corte en el nivel del cielo subterráneo

inferior, en donde se ven las vigas que hacen de tensores.

Fig. 3.17 Vista de los aisladores (en rojo) realizando un corte en el nivel del cielo subterráneo

superior, en donde se ven las vigas de amarre.

33

Análisis y Diseño de la Estructura Convencional

C A P I T U L O IV

ANALASIS Y DISEÑO DE LA

ESTRUCTURA CONVENCIONAL

4.1 ANALISIS MODAL TRIDIMENSIONAL DE LA ESTRUCTURA SEGÚN NCh 433

Of 96.

Antes de comenzar con el análisis modal propiamente tal, se mencionaran los otros estados

de carga que son considerados en el diseño de la estructura. Estos son:

Peso muerto: se considera el peso de las vigas, pilares, muros y losas de hormigón armado.

Sobrecarga: Se aplica lo establecido en la NCh 1537 Of 86, para edificios de oficinas que es 250

Kg/m2 para áreas privadas sin equipos y 500 Kg/m2 para áreas públicas y áreas privadas con

equipos; y para el techo una sobrecarga de 100 Kg/m2.

Viento: Para la carga de viento se utiliza la norma NCh 432 Of 71. con la cual se obtienen las

siguientes presiones básicas para las diferentes alturas sobre el suelo.

Tabla 4.1 Presiones básicas de viento.

Presión Básica Para Edificio Vanguardia

Altura (mt) Presión Básica (Kg/m2) 1,45 56,93 4,52 61,32 7,74 65,32 10,94 69,59 14,14 73,85 17,34 79,68 20,54 85,54 23,40 88,40

Aplicándose un factor de forma de C = 1,2, para finalmente calcular las cargas que afectan al

edificio.

Después de haber definido estados de carga necesarios para el análisis estructural, se procede a

presentar el análisis sísmico, el cual por el tema de éste trabajo de titulación es el de mayor

importancia, teniendo un trato más profundo que el resto. El análisis sísmico se realiza según la

34


norma NCh 433 Of 96, la que establece dos posibles tipos de análisis, se prefirió el modal

espectral por su mayor rango de aplicación y por ser más completo. Para la realización del

análisis modal se tienen que definir ciertos parámetros que son necesarios para generar el

espectro de diseño con el cual determinamos la resistencia sísmica de la estructura. Estos

parámetros son los que se presentan a continuación.

La ciudad de Concepción se encuentra en la zona 3 según la tabla 4.2, de donde se obtiene el

valor de la aceleración efectiva A0:

Tabla 4.2 Valor aceleración efectiva.

Valor de la Aceleración Efectiva

Zona Sísmica A0

1 0,20 g 2 0,30 g 3 0,40 g

De acuerdo a los estudios de suelo del lugar en donde se emplazará el edificio es posible

clasificarlo como tipo II de acuerdo a la tabla 4.3, con lo cual se obtienen los siguientes

parámetros:

Tabla 4.3: Parámetros Sísmicos.

Valor de los Parámetros que dependen de tipo de suelo

Tipo de S To T' n p suelo

I 0.9 0.15 0.2 1 2 II 1 0.3 0.35 1.33 1.5 III 1.2 0.75 0.85 1.8 1 IV 1.3 1.2 1.35 1.8 1

La clasificación del edificio de acuerdo a su importancia y riesgo de falla establecido en 4.4,

corresponde a: Categoría C, de lo cual se obtiene el valor del coeficiente I de la tabla 6.1:

Tabla 4.4: Coeficiente de importancia.

Valores del coeficiente I

Categoría del edificio I A 1.2 B 1.2 C 1 D 0.6

35


36

0*a

IASR

α=

03

0

1 4.5

1

p

El edificio tiene un sistema estructural mixto, es decir esta estructurado en base a muros y

pórticos, cuyo material predominante es el hormigón armado. Con esto se obtiene los valores de

los factores de modificación de la respuesta, este factor refleja las características de absorción y

disipación de energía de la estructura resistente, así como la experiencia sobre el

comportamiento sísmico de los diferentes tipos de estructuraciones y materiales empleados:

R = 7

R0 = 11

Ante esto se decide por ocupar un factor de modificación de la respuesta, R de 7, por ser el que

se considera mas desfavorable, además que en una parte importante del edificio predomina este

tipo de tipología estructural.

Con todos estos antecedentes se puede determinar el espectro de diseño haciendo uso de las

siguientes formulas:

(Ec. 4.1)

El factor de amplificación se determina por:

n

n

TT

TT

α

⎛ ⎞+ ⎜ ⎟

⎝ ⎠=⎛ ⎞

+ ⎜ ⎟⎝ ⎠

(Ec. 4.2)

Y el factor de reducción:

*

**

00

10.10

TRTTR

= ++

(Ec. 4.3)

Para el cálculo de R* se necesita saber el valor de T*. El periodo del modo con mayor masa

traslacional se calculo considerando el 35% de la sobrecarga, obteniendo los siguientes

resultados:

T*= 0.57406 seg.

R*= 6.1322.

Con los datos anteriores se construye el espectro de diseño, en la figuras 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4 se

presentan el espectro en dirección X, en dirección Y; espectro reducido en X y espectro reducido

en Y respectivamente:


ESPECTRO NCh 433

0

0.05

0.1

0.15

Fig. 4.1 Espectro NCh 433 Of 96, en dirección X.

Fig. 4.2 Espectro NCh 433 Of 96, en dirección Y.

Fig. 4.3 Espectro reducido NCh 433 Of 96, en dirección X.

0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Periodo (seg)

Sa/g

Sa/g

ESPECTRO NCh 433

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Periodo (seg)

Sa/g

Sa/g

ESPECTRO NCh 433

00.020.040.060.080.1

0.120.140.16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Periodo (seg)

Sa/g

Sa/g

37


ESPECTRO NCh 433

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Periodo (seg)

Sa/g

Sa/g

Fig. 4.4 Espectro reducido NCh 433 Of 96, en dirección Y.

A continuación se presenta un resumen de los resultados entregados por el análisis modal

espectral realizado a la estructura, mostrando los periodos, participaciones modales, drift

importantes para ver de que tipo es el comportamiento sísmico.

Tabla 4.5 Períodos del Edificio Vanguardia.

PERIODOS Y PARTICIPACIÓN MODAL

Modo Periodo Frecuencia Ux Uy Rz

(seg) (ciclos/seg)

1 0.574057 1.742 0.550923 0.004511 0.304221

2 0.330056 3.0298 0.009322 0.559883 0.106037

3 0.289316 3.4564 0.010872 0.021548 0.152279

4 0.184548 5.4187 0.040632 0.000303 0.020944

5 0.18393 5.4368 0.055505 0.000588 0.031211

6 0.171217 5.8405 0.000018 0.000046 0.000028

7 0.16354 6.1147 0.00035 0.000873 0.000079

8 0.160402 6.2343 0.000175 1.149E-06 0.000072

9 0.155271 6.4403 0.001765 3.209E-08 0.000037

10 0.151949 6.5812 0.000048 0.000216 4.846E-07

11 0.150059 6.664 0.012916 0.00015 0.006826

12 0.149688 6.6806 0.00105 0.000017 0.000436

Nota: Ux, Uy y Rz son factores de participación modal.

En la tabla 4.5 podemos apreciar que el período fundamental de la estructura corresponde a

0.574 segundos, lo que todavía corresponde a una estructura rígida, de la participación modal

observamos que el modo primero ocurre en X, debido a que Ux es mayor que Uy y Rz. El

38


segundo período más importante es de 0.33 seg y tiene mayor participación en Y; finalmente el

tercer período es de 0.289 seg y tiene una mayor participación modal en Z, lo que indica que es

un modo torsional. En las figuras 4.5, 4.6 y 4.7 se muestran el primer, segundo y tercer modo

respectivamente.

Fig. 4.5 Primer modo de edificio Vanguardia, modo traslacional en X.

Fig. 4.6 Segundo modo de edificio Vanguardia, modo traslacional en Y.

39


Fig. 4.7 Tercer modo de edificio Vanguardia, modo torsional en Z.

El corte basal y su distribución en altura se presenta en la tabla 4.6, en ella se puede apreciar que

tanto en la dirección X como en Y el corte cumple con las disposiciones de valor mínimo y

máximo que establece la norma, siendo el valor del corte en la dirección Y el mayor.

Tabla 4.6 Distribución en altura del corte basal.

Esfuerzos Cortantes por Nivel

Nivel Dirección X (Ton) Dirección Y (Ton)

8 21.4115 27.0308

7 195.4462 212.3651

6 337.3385 391.9456

5 446.8751 481.0253

4 530.8597 606.7594

3 571.1976 790.6234

2 633.7322 829.9042

1 645.5364 853.2801

40


A continuación se presentan las deformaciones sísmicas, para ver si se cumple con las

disposiciones de la norma. En las tablas que se presentan a continuación U1 y U2 representan los

desplazamientos totales en el eje X y en el eje Y respectivamente, U3 representa el giro; D. Rel

es el desplazamiento relativo máximo entre dos pisos consecutivos, medidos en el centro de

masa en cada una de las direcciones de análisis.

El drift es la deformación relativa en la dirección de análisis y se calcula como el cuociente entre

el desplazamiento relativo y la altura de entrepiso, este valor no debe ser mayor que 0.002 para

que se cumpla con la norma, en forma mas compacta:

. e 0.002D R lDrifth

= <

(Ec. 4.4)

En la tabla 4.7 se presentan los resultados de los desplazamientos relativos y drift para el análisis

en dirección X del Edificio Vanguardia:

Tabla 4.7 Deformaciones entrepisos o drift para Edificio Vanguardia dirección X.

Deformaciones Sísmicas Para Sismo en X

Nivel U1 (m) U2 (m) D.Rel U1 (m) D.Rel U2 (m) Giro U3 (rad)

h

(m) Drift en X Condición

8 0.01183 0.003856 0.000522 0.002687 0.00000302 2.51 0.00020797 OK

7 0.011308 0.001169 0.001257 0.000342 0.000023 3.2 0.00039281 OK

6 0.010051 0.000827 0.001901 0.000164 0.000047 3.2 0.00059406 OK

5 0.00815 0.000663 0.002156 0.000175 0.000073 3.2 0.00067375 OK

4 0.005994 0.000488 0.002191 0.000156 0.000099 3.2 0.00068469 OK

3 0.003803 0.000332 0.002063 0.000201 0.000121 3.2 0.00064469 OK

2 0.00174 0.000131 0.001458 0.000073 0.000139 3.24 0.00045 OK

1 0.000282 0.000058 0.000282 0.000058 0.000266 2.9 9.7241E-05 OK

En la tabla 4.8 se presentan los resultados de los desplazamientos relativos y drift para el análisis

en dirección Y del Edificio Vanguardia:

41


Tabla 4.8 Deformaciones entrepisos o drift para Edificio Vanguardia dirección Y.

Deformaciones Sísmicas Para Sismo en Y

Nivel U1 (m) U2 (m) D.Rel U1 (m) D.Rel U2 (m) Giro U3 (rad) h (m) Drift en Y Condición

8 0.001361 0.005835 0.000067 0.000751 0.000003197 2.51 0.0002992 OK

7 0.001294 0.005084 0.000129 0.00077 0.000009733 3.2 0.00024063 OK

6 0.001165 0.004314 0.000202 0.000803 0.000023 3.2 0.00025094 OK

5 0.000963 0.003511 0.000233 0.000864 0.000036 3.2 0.00027 OK

4 0.00073 0.002647 0.000242 0.000889 0.000049 3.2 0.00027781 OK

3 0.000488 0.001758 0.000233 0.0009 0.00006 3.2 0.00028125 OK

2 0.000255 0.000858 0.00021 0.000655 0.000068 3.24 0.00020216 OK

1 0.000045 0.000203 0.000045 0.000203 0.000065 2.9 0.00007 OK

Se puede concluir que tanto en dirección X como en Y la estructura cumple con los drift

estipulados en la NCh 433 Of 96. Cabe destacar que los giros obtenidos del análisis en X son

mayores que los obtenidos en dirección Y, lo que refleja que el eje X es menos simétrico,

generando un momento torsor mayor debido a la excentricidad entre el centro de masas y el

centro de rigidez.

Finalmente en las tablas 4.9 se presenta un resumen de los valores de mayor importancia que

entrega el análisis de vigas, pilares y muros por piso del edificio Vanguardia, a modo de

referencia de los valores con los cuales se diseña los diferentes elementos y en particular los

valores entregados para lo que se llama piso 2 en lo referente a pilares y muros son los que se

utilizan para saber las cargas máximas y mínimas que soportan los aisladores, ya que como se

menciono la estructura aislada es similar a la convencional, cambiando principalmente solo en la

interfaz de aislación, por lo cual estos valores siguen siendo útiles al considerar el edificio con

un sistema de aislación:

Tablas 4.9 Esfuerzos para Elementos Edificio Vanguardia.

Resultados de Esfuerzos para Columnas del Piso 1

Elemento Pmax (Ton)

Pmin

(Ton) M22max (Ton-m) M22min (Ton-m) M33max (Ton-m) M33min (Ton-m)

P60/60 78.6463 -279.5719 9.2517 -5.39114 14.68047 -16.01094

P60/80 136.8854 -309.6698 10.76066 -14.89581 21.58223 -7.77915

P60/90 33.0158 -217.2055 6.23104 -6.02535 11.19417 -9.55798

42


Resultados de Esfuerzos para Vigas del Piso 1

Elemento Vmax Vmin M33max M33min

(Ton) (Ton) (Ton-m) (Ton-m)

Especial1 14.6875 -13.6521 16.96994 -41.28169

Especial2 11.8559 -11.8061 15.31188 -30.33485

V.I20/100 1.4191 -2.3737 1.21635 -3.75686

V.S.I20/152 16.3782 -14.3227 32.07856 -26.6027

V.S.I25/202 0.1592 -4.4188 6.669E-14 -5.52344

V20/60 2.191 -0.04349 2.87262 -3.54686

V40/60 18.4337 -0.10095 30.66208 -26.08115

V40/87 12.9102 -0.90242 14.28383 -40.12791

V60/60 0.0235 -0.02128 0.00405 -1.4175

Resultados de Esfuerzos para Muros del 1 Piso

Elemento N (Ton) V (Ton) M (T-m) Muro 60 420.3805 186.5095 197.96925 Muro 20 335.677 134.6145 298.40773


Elemento Pmax (Ton) Pmin (Ton) M22max (Ton-m) M22min (Ton-m) M33max (Ton-m) M33min (Ton-m)

P60/40 17.8405 -22.5558 20.53096 -19.38729 1.30481 -1.50726

P60/60 45.3378 -245.7878 10.48021 -9.01693 26.52656 -24.78479

P60/90 123.8903 -224.5036 34.47475 -37.10658 13.55519 -14.12304




V.S.I20/110 9.0828 -8.5821 14.79575 -17.5532

V.S.I20/152 17.3284 -0.36466 50.36658 -41.1096

V.S.I20/160 31.3879 -0.24657 89.01243 -69.08743

V.S.I20/170 14.2386 -1.17471 43.07572 -44.81498

V.S.I20/220 47.4955 -0.96985 68.28523 -72.75038

V.S.I25/170 57.3197 -3.28427 74.91602 -64.56291

V.S.I25/220 -3.6883 -1.0401 2.99508 -25.16013

V20/70 3.9967 -0.42197 6.9804 -5.67892

V25/52 4.0947 -1.12331 3.05077 -4.93489

V40/52 4.6066 -0.53273 6.00255 -11.31303

V40/70 25.5403 -0.60585 42.05684 -49.0756

43





Elemento Pmax (Ton) Pmin (Ton) M22max (Ton-m) M22min (Ton-m) M33max (Ton-m) M33min (Ton-m)P60/40 8.8999 -21.632 26.0317 -26.56797 1.86105 -2.04612 P60/60 16.264 -203.806 8.47937 -9.09014 16.58973 -17.81243 P60/90 79.718 -184.9065 33.42857 -35.40069 27.27712 -18.76976




V.I20/52 3.4131 -0.78145 6.09902 -6.81011

V.S.I20/170 28.7751 -2.6288 86.19022 -68.66224

V.S.I20/220 37.5067 -1.4861 78.48413 -70.2191

V.S.I25/170 44.0654 -3.00219 56.52777 -49.65253

V.S.I25/220 -3.4233 -1.39255 3.90622 -25.23775

V20/70 7.6841 -0.6218 12.49066 -12.07256

V25/52 6.0031 -2.52073 7.10406 -10.97321

V40/52 5.097 -1.04467 7.39914 -13.53449

V40/70 25.36 -0.58536 41.44189 -51.46118





P60/40 5.5989 -17.8388 28.88992 -28.57166 1.74433 -1.8834

P60/60 16.7436 -162.0827 9.6543 -10.04208 16.10994 -17.32517

P60/90 41.7564 -142.7293 35.5489 -36.26979 14.68175 -14.15935

44





V.S.I20/170 30.2402 -2.69566 107.80757 -85.39283

V.S.I20/220 38.209 -36.3656 73.10727 -67.3674

V.S.I25/170 40.542 -35.3489 58.1073 -57.28775

V.S.I25/220 -3.4638 -12.7282 3.81537 -25.08368

V20/70 5.9357 -5.1148 9.70083 -9.22747

V25/52 8.7043 -8.9 8.13829 -8.46692

V40/52 5.2276 -4.7879 7.89796 -13.90267

V40/70 25.839 -24.1967 38.73664 -53.23897





P60/40 6.7373 -13.8376 28.80578 -28.59776 1.77949 -1.84079

P60/60 29.2855 -121.3459 9.60113 -9.97576 16.77121 -15.83452

P60/90 15.1253 -113.4193 35.34652 -34.31792 14.55464 -14.09359




V.S.I20/170 26.8656 -1.91815 71.2141 -70.34279

V.S.I20/220 32.5182 -0.65972 62.14542 -53.35231

V.S.I25/170 28.9832 -5.08391 42.96348 -46.54412

V.S.I25/220 -3.4786 -2.17331 4.01895 -25.27878

V20/70 5.976 -1.9467 11.65096 -11.17376

V25/52 6.1365 -1.09179 5.11121 -5.5109

V40/52 5.2838 -0.97262 7.87835 -14.24955

V40/70 24.0722 -1.08524 35.21102 -49.15366

45






P60/40 11.204 -8.416 27.88255 -26.64568 1.68222 -1.82755

P60/60 38.8159 -81.3401 8.93057 -9.14705 19.71025 -16.32828

P60/90 -1.0905 -88.2514 33.57829 -30.97467 14.2566 -13.82356




V.I20/112 -2.3253 -8.4827 7.38959 -11.89589

V.S.I20/170 25.2351 -32.8154 66.59571 -60.22395

V.S.I20/220 13.5378 -11.9585 24.05134 -18.65079

V.S.I25/170 15.3599 -20.706 26.08911 -34.59167

V20/70 3.748 -4.3111 5.25185 -8.45097

V25/52 4.9813 -5.3614 4.81801 -5.04011

V25/70 -1.3191 -5.0895 1.8296 -9.96115

V40/52 4.849 -4.5317 6.31355 -12.54196

V40/70 22.1444 -20.9091 30.98346 -46.15254





P60/40 19.3756 -1.4361 23.14032 -22.41913 2.75621 -1.76038

P60/60 57.4839 -62.4617 9.15075 -10.72017 15.28062 -12.87879

P60/90 -3.3279 -65.8071 35.45116 -34.86141 21.36749 -12.37352

46





Viga Especial 22.8089 -24.7345 35.75503 -46.55314

V.I20/112 5.3771 -6.564 7.76553 -9.83963

V.I20/52 3.8236 -2.8114 3.44163 -5.37071

V.I60/52 -1.1517 -14.4584 1.7422 -25.92462

V.S.I20/110 7.8393 -8.1772 18.35588 -20.86912

V.S.I20/170 14.5191 -20.5607 37.24767 -34.77134

V.S.I20/220 4.1013 -2.8745 3.15785 -5.67942

V.S.I25/110 5.7257 -2.6355 6.50817 -13.44499

V.S.I40/110 29.4472 -28.6684 45.85301 -61.77055

V20/70 9.3598 -8.1537 9.60722 -14.7278

V25/52 2.1559 -2.1573 2.07779 -5.11384

V40/52 8.4986 -8.9193 12.82529 -14.15103





P60/60 29.0881 -20.0346 2.07558 -1.38329 6.71172 -11.1016




V.I20/52 2.2709 -2.3168 3.46044 -4.62578

V.S.I20/100 3.8006 -4.1256 6.42311 -7.84392

V25/52 3.3835 -4.6105 4.55355 -6.39208


Elemento N (Ton) V (Ton) M (T-m) Muro 25 32.052 54.1795 72.92284

47


4.2 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA TRADICIONAL SEGÚN CÓDIGO ACI 318-02.

El diseño de la estructura se realizó de acuerdo a lo establecido en el código ACI 318–02,

aplicando las nuevas disposiciones que se presentan en esta edición, siendo esto importante no

tan solo por estar trabajando con la más moderna edición del código, sino además porque según

sus propios autores se introducen importantes modificaciones respecto a la edición de 1999,

siendo considerada una de las mayores revisiones que ha tenido el ACI 318 desde sus inicios.

Una de los principales cambios es que se modificaron los factores de mayoración de cargas, por

lo cual las combinaciones de carga que se utilizaron para el diseño son las siguientes:

U0 = 1.4*D

U1 = 1.2*D + 1.6*L + 0.5*LR

U2 = 1.2*D + 1.6*LR + 1.0*L

U3 = 1.2*D + 1.6*LR + 0.8*WX

U4 = 1.2*D + 1.6*LR - 0.8*WX

U5 = 1.2*D + 1.6*LR + 0.8*WY

U6 = 1.2*D + 1.6*LR - 0.8*WY

U7 = 1.2*D + 1.0*L + 0.5*LR +1.3*WX

U8 = 1.2*D + 1.0*L + 0.5*LR -1.3*WX

U9 = 1.2*D + 1.0*L + 0.5*LR +1.3*WY

U10 = 1.2*D + 1.0*L + 0.5*LR -1.3*WY

U11 = 1.2*D + 1.0*L + 1.4*EX

U12 = 1.2*D + 1.0*L + 1.4*EY

U13 = 0.9*D + 1.3*WX

U14 = 0.9*D - 1.3*WX

U15 = 0.9*D + 1.3*WY

U16 = 0.9*D - 1.3*WY

U17 = 0.9*D + 1.4*EX

U17 = 0.9*D + 1.4*EY

A modo de resumen en la tabla 4.10 están las áreas de acero y armaduras necesarias, en cada

nivel del edificio:

48


Tabla 4.10 Resumen de áreas de acero y armaduras de los elementos del Edificio Vanguardia

Resultados de Armaduras para Columnas del Piso 1

Elemento Área Arm Comp Área Corte Arm Long Arm Corte

cm2 cm2/m

P60/60 36 Min 8 φ 25 φ 10 @ 25

P60/80 48 Min 8 φ 28 φ 10 @ 20

P60/90 54 Min 7 φ 32 φ 10 @ 20

Resultados de Armaduras para Vigas del Piso 1

Elemento Área Arm Sup Área Arm Inf Área Corte Arm Sup Arm Inf Arm Corte

(cm2) (cm2) (cm2-m)

V.I20/100 1.47 0.73 Min 2 φ10 2 φ 8 φ 10 @ 25

V.S.I20/152 6.95 8.41 2.5 3 φ18 4 φ18 φ 10 @ 20

V.S.I25/202 1.07 0.53 Min 2 φ10 2 φ 8 φ 10 @ 20

V20/60 2.34 1.89 Min 3 φ10 2 φ 12 φ 10 @ 20

V40/60 13.46 16 6.49 4 φ 22 5 φ 22 φ 10 @ 20

V40/87 14.06 9.18 5 4 φ 22 4 φ 18 φ 10 @ 20

V60/60 0.92 0.46 Min 2 φ 8 2 φ 8 φ 10 @ 20

Resultados de Armadura para Muros del 1 Piso

Elemento Área Arm Borde Arm. Borde Cuantia Hor Cuantia Vert Malla Malla Vert (cm2) A/S (cm) A/S (cm) Horizontal Vertical

Muro 60 61.69 8 φ 32 0.158 0.158 φ 12 @13 φ 12 @13 Muro 20 18.7 4 φ 25 0.083 0.083 φ 12 @15 φ 12 @15



cm2 cm2/m

P60/40 25.8 5 6 φ 28 φ 10 @ 20

P60/60 36 5 8 φ 25 φ 10 @ 20

P60/90 54 5 7 φ 32 φ 10 @ 20

49




(cm2) (cm2) (cm2-m)

V.S.I20/110 6.36 5.34 2.5 3 φ 18 3 φ 16 φ 10 @ 20

V.S.I20/152 9.12 10.02 2.5 4 φ 18 4 φ 18 φ 10 @ 20

V.S.I20/160 13.17 17.19 7.03 4 φ 22 5 φ 22 φ 10 @ 20

V.S.I20/170 10.2 10.11 2.5 4 φ 18 4 φ 18 φ 10 @ 20

V.S.I20/220 13.19 12.37 5.29 4 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20

V.S.I25/170 12.75 13.31 9.86 4 φ 22 4 φ 22 φ 12 @ 20

V.S.I25/220 4.49 2.24 Min 4 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

V20/70 3.22 3.97 Min 3 φ 12 4 φ 12 φ 10 @ 20

V25/52 3.78 2.32 3.13 4 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

V40/52 6.57 4.58 Min 3 φ 18 2 φ 18 φ 10 @ 20

V40/70 22.25 18.82 6.57 6 φ 22 5 φ 22 φ 10 @ 20



Muro 60 55.77 8 φ 32 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 20 47.53 8 φ 28 0.085 0.085 φ 12 @20 φ 12 @20



cm2 cm2/m

P60/40 27.3 5 6 φ 28 φ 10 @ 20

P60/60 36 0 8 φ 25 φ 10 @ 25

P60/90 54 11.25 7 φ 32 φ 12 @ 20



(cm2) (cm2) (cm2-m)

V.I20/52 3.56 3.12 Min 4 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20

V.S.I20/170 12.25 15.53 6.67 5 φ 18 7 φ 18 φ 10 @ 20

V.S.I20/220 12.73 13.2 2.66 4 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20

V.S.I25/170 11.63 12.75 5.75 4 φ 22 4 φ 22 φ 12 @ 20

V.S.I25/220 4.5 2.24 Min 4 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

50


V20/70 5.24 5.43 2.5 3 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20

V25/52 6.49 4.13 3.13 3 φ 18 2 φ 18 φ 10 @ 20

V40/52 7.91 5.67 Min 4 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20

V40/70 23.44 18.53 6.44 7 φ 22 5 φ 22 φ 10 @ 20



Muro 60 52.47 8 φ 32 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 20 48.5 8 φ 28 0.103 0.103 φ 10 @15 φ 10 @15


Elemento Área Arm Comp Área Corte Arm Long Arm Corte cm2 cm2/m

P60/40 31.58 5 6 φ 28 φ 10 @ 20

P60/60 36 0 8 φ 25 φ 10 @ 25

P60/90 54 11.25 7 φ 32 φ 12 @ 20


Elemento Área Arm Sup Área Arm Inf Área Corte Arm Sup Arm Inf Arm Corte (cm2) (cm2) (cm2-m)

V.S.I20/170 11.33 14.37 5.78 5 φ 18 6 φ 18 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 12.2 13.2 2.82 4 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20 V.S.I25/170 12.75 12.75 4.66 4 φ 22 4 φ 22 φ 12 @ 20 V.S.I25/220 4.48 2.23 Min 4 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

V20/70 4.2 4.2 2.5 4 φ 12 4 φ 12 φ 10 @ 20 V25/52 4.95 4.75 3.13 3 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20 V40/52 8.14 6.06 Min 4 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20 V40/70 24.33 17.24 6.8 7 φ 22 5 φ 22 φ 10 @ 20



Muro 60 40.12 8 φ 18 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 20 57.5 8 φ 32 0.084 0.084 φ 10 @15 φ 10 @15

51

Administrador

Línea




cm2 cm2/m

P60/40 32.7 5 6 φ 28 φ 10 @ 20

P60/60 36 0 8 φ 25 φ 10 @ 25

P60/90 54 11.25 7 φ 32 φ 12 @ 20



(cm2) (cm2) (cm2-m)

V.S.I20/170 12.57 12.73 4.57 5 φ 18 5 φ 18 φ 10 @ 20

V.S.I20/220 9.62 11.23 2.5 4 φ 18 5 φ 18 φ 10 @ 20

V.S.I25/170 10.89 10.04 3.13 4 φ 18 4 φ 18 φ 10 @ 20

V.S.I25/220 4.51 2.25 Min 4 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

V20/70 4.84 5.05 2.5 3 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20

V25/52 3.9 3.9 3.13 2 φ 16 2 φ 16 φ 10 @ 20

V40/52 8.35 6.04 Min 4 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20

V40/70 22.29 15.57 5.47 6 φ 22 5 φ 22 φ 10 @ 20



Muro 60 26.88 6 φ 25 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 25 48.95 8 φ 28 0.069 0.069 φ 10 @20 φ 10 @20


Elemento Área Arm Comp Área Corte Arm Long Arm Corte cm2 cm2

P60/40 33.51 5 6 φ 28 φ 10 @ 20 P60/60 36 7.5 8 φ 25 φ 10 @ 20 P60/90 54 11.25 7 φ 32 φ 12 @ 20

52




V.I20/112 4.2 2.6 2.5 4 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I20/170 10.7 11.87 3.84 5φ 18 5 φ 18 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 3.33 4.3 2.5 3 φ 12 4 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I25/170 8.05 6.05 3.13 4 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20

V20/70 4.2 2.97 2.5 4 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V25/52 3.87 3.69 2.85 2 φ 16 2 φ 16 φ 10 @ 20 V25/70 5.25 2.81 Min 3 φ 16 3 φ 12 φ 10 @ 20 V40/52 7.31 4.82 Min 4 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20 V40/70 20.81 13.6 5 6 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20



Muro 60 14.68 6 φ 18 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 25 25.1 6 φ 25 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20



cm2 cm2/m

P60/40 29.89 5 6 φ 28 φ 10 @ 20

P60/60 36 7.5 8 φ 25 φ 10 @ 20

P60/90 54 11.25 7 φ 32 φ 12 @ 20



(cm2) (cm2) (cm2 ) -m

Viga Especial 17.62 15.6 8.13 φ φ @ 20 5 22 5 22 φ 12

V.I20/112 3.47 2.73 Min φ φ @ 20 4 12 3 12 φ 10

V.I20/52 3.12 2.63 2.5 φ φ @ 20 3 12 3 12 φ 10

V.I60/52 14.41 9.39 7.5 φ φ @ 20 4 22 4 18 φ 12

V.S.I20/110 6.6 6.6 2.5 φ φ @ 20 3 18 3 18 φ 10

V.S.I20/170 8.12 8.71 2.5 φ φ @ 20 4 18 4 18 φ 10

V.S.I20/220 1.01 0.56 Min φ φ @ 20 2 12 2 12 φ 10

V.S.I25/110 4.83 2.4 Min φ φ @ 20 5 12 2 12 φ 10

V.S.I40/110 17.08 13.2 5 φ φ @ 20 5 22 4 22 φ 10

V20/70 6.45 4.2 2.5 φ φ @ 20 6 12 4 12 φ 10

V25/52 3.9 1.94 3.13 φ φ @ 20 2 16 2 12 φ 10

V40/52 8.29 7.48 5 φ φ @ 20 4 18 3 18 φ 10

53




Muro 60 7.53 4 φ 16 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 25 14.64 6 φ 18 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20



cm2 cm2/m

P60/40 36 Min 6 φ 28 φ 10 @ 20



(cm2) (cm2) (cm2-m)

V.I20/52 3.12 2.65 Min 3 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20

V.S.I20/100 3.1 2.53 Min 3 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20

V25/52 3.9 3.49 3.13 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20



Muro 25 7.69 4 φ 16 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20

54

C A P I T U L O V

NORMA DE AISLAMIENTO BASAL, UNA

NUEVA FILOSOFIA DE DISEÑO


A pesar de que la aislación basal, como técnica ya ha sido usada en el país desde el año

1992 en cuatro proyectos, no se había desarrollado un documento que normalizara y estableciera

los requerimientos mínimos que respalden los criterios utilizados en este tipo de estructuras. Es

por esto y por la rápida evolución hacia el uso de sistemas de reducción de vibraciones, en

especial de aislación sísmica, que se hace necesario implementar requisitos específicos para

estructuras aisladas.

La NCh 2745 Of 2003, “Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica” declarada oficial

en noviembre del 2003, viene a cubrir este aspecto y de paso convierte al país en uno de los

primeros en contar con una regulación de este tipo.

La norma es el fruto del trabajo del comité técnico del INN; contiene la traducción, comentario y

adaptación del capitulo 16 del código Uniform Building Code del año 1997 (UBC1997). En ella

se consideran aspectos novedosos y apropiados a la realidad sísmica nacional, en particular en lo

que dice relación con la definición de la solicitación sísmica, los factores de reducción de

respuesta, siendo muy útil la inclusión de un comentario aclaratorio de diversos aspectos que se

presentan.

La implementación de sistemas de aislación sísmica va acorde a las nuevas filosofías mundiales

de diseño estructural, en donde el concepto de protección sísmica es mucho más amplio,

evitando daños en elementos estructurales, no estructurales, entregando una mayor seguridad a

las personas y la inversión y teniendo presente la serviciabilidad de la estructura a través de un

conocimiento controlado y conocido de esta. La nueva filosofía queda claramente reflejada en la

nueva normativa.

En este capitulo se presentaran las principales características y disposiciones de la norma NCh

2745 Of 2003, y su aplicación a nuestro caso en cuanto a la obtención de factores y coeficientes

necesarios, ya que el análisis y diseño de la estructura con la norma se presenta en el capitulo

VII.

55

Norma de Aislamiento Basal

5.2 FILOSOFIA DE DISEÑO DE LA NCh 2745 Of 2003.

El diseño sismorresistente tradicional reduce y controla las fuerzas dinámicas inducidas

por sismo severos recurriendo a la ductilidad propia de la estructura, entrando en un rango

inelástico en donde se aceptan las plastificaciones parciales de vigas, columnas y sus conexiones

con el objetivo de aprovechar la capacidad de disipación de energía disponible en ellos. Esto

quiere decir que un diseño sismorresistente satisfactorio debe asegurar que para un determinado

nivel de demanda de ductilidad global, la ductilidad seccional y de material disponible, no sea

superada. Dentro de este concepto es que se aceptan daños en la estructura para conseguir el

objetivo de ductilidad deseado, es así como la NCh 433 Of 96 en sus principios establece que la

estructura debe resistir sin daños movimientos de moderara intensidad, limitar los daños de

elementos no estructurales a sismos de mediana intensidad, y como fin último evitar el colapso

de la estructura ante sismos severos, aunque se presenten daños, es evidente que aunque esta

metodología ha funcionado bien, en especial gracias a los factores que consideran la

incertidumbre, presenta el peligro de recurrir a roturas parciales de la misma estructura que se

quiere proteger, entregándole ductilidades que en algunos casos son difíciles de probar y

controlar.

Por otro lado los requisitos de diseño para estructuras aisladas establecidos en la NCh 2745 Of

2003 tienen otro concepto en el cual el objetivo de desempeño es una combinación de la

protección a la vida y la reducción de daños de la estructura y sus contenidos, más

específicamente [10]:

1) Resistir sismos pequeños y moderados sin daño en elementos estructurales,

componentes no estructurales, y contenidos del edificio.

2) Resistir sismos severos sin que exista:

a) Falla del sistema de aislación.

b) Daño significativo a los elementos estructurales.

c) Daño masivo a elementos no estructurales.

Esto se logra gracias a que la estructura aislada se mantiene esencialmente en un rango elástico

durante el sismo de diseño, ya que el desplazamiento lateral ocurre en la interfaz de aislación y

no en la superestructura, reduciendo las aceleraciones, drifts y corte basal responsables de los

daños.

Como uno de los puntos más representativos de esta nueva filosofía esta que se definen dos

niveles sísmicos [10]:

56


Sismo de diseño (SDI): este nivel coincide con el nivel usado comúnmente en el

diseño de estructuras convencionales y corresponde al nivel del movimiento

sísmico del suelo que tiene como mínimo el 10% de probabilidad de excedencia

en 50 años.

Sismo máximo posible (SMP): corresponde al nivel máximo del movimiento del

suelo que puede ocurrir dentro del esquema geológico conocido, y se considera

como el nivel del movimiento sísmico del suelo que tiene un 10% de probabilidad

de excedencia en 100 años.

En la figura 5.1 se muestra la probabilidad de excedencia de un cierto nivel de aceleración

máxima del suelo para el SDI y el SMP, para una zona sísmica 3 que es la que corresponde a

nuestro edificio por encontrarse en la ciudad de Concepción.

Fig. 5.1 Probabilidad de excedencia de un cierto nivel de

aceleración máxima del suelo, para zona sísmica 3.

Estos nuevos niveles de riesgo son distintos a los utilizados en NCh 433, y se reflejan en toda la

nueva norma a través de varios aspectos como ser un nuevo espectro, definición de los

desplazamientos de diseño y máximo utilizados en el diseño y verificación de los aisladores

entre otros.

En general en una estructura convencional no se verifica directamente el no colapso de ésta, sino

que como se había mencionado se maneja implícitamente a través de la ductilidad; en cambio en

estructuras aisladas se debe verificar su desempeño para el SMP en forma analítica y

experimental; esto porque para el sistema de aislación se debe verificar que soporta tanto las

57


deformaciones como cargas correspondientes al SMP sin falla, siendo en este tipo de estructuras

el principal componente a analizar, ya que si el sistema de aislación se comporta de manera

satisfactoria la superestructura permanece prácticamente en el rango elástico, no presentando

mayores problemas.

Como se puede apreciar el objetivo de desempeño establecido en NCh 2745 excede a aquellos de

estructuras convencionales en sismos moderados y severos; entregando estructuras que presentan

un mejor comportamiento, serviciabilidad y seguridad ante cualquier evento sísmico.

5.3 PROCEDIMIENTOS DE ANALISIS.

La norma establece una análisis estático el cual establece valores mínimos de

desplazamientos de diseño para el sistema de aislación y se puede utilizar en una limitada clase

de estructuras; y un análisis dinámico dentro del cual se encuentran el análisis espectral y de

respuesta en el tiempo, permitiéndose modelos lineales como no lineales.

El análisis estático lateral equivalente es aplicable sólo a ciertas estructuras, debido a que se

tienen que cumplir varias condiciones para poder utilizarlo, entre ellas están limitar la altura de

la estructura a 20 metros, se pide que la superestructura tenga una configuración regular, que el

periodo de la estructura aislada sea mayor que 3 veces el periodo de la estructura fija, y menos

que 3 segundos, además de que el sistema de aislación no presente un gran degradación de

rigidez con las deformaciones, que sus propiedades sean independientes de las cargas verticales

y de la velocidad de carga, entre otras, se puede ver que las restricciones son varias, siendo este

procedimiento recomendado para un diseño preliminar. Además se establecen los valores

mínimos (que en magnitud serán los mayores) para los desplazamientos de diseño,

desplazamientos máximos, fuerza de corte de diseño del sistema de aislación y el corte de diseño

de la superestructura.

El análisis de respuesta lateral dinámica se puede realizar a través de dos formas: un análisis

espectral o un análisis de respuesta en el tiempo. Con el análisis espectral son más amplios los

casos que se pueden analizar, ya que permite superestructuras más flexibles y que presenten

ciertas irregularidades en planta, pero todavía mantiene las restricciones del análisis estático para

lo referente al sistema de aislación; la utilización de un procedimiento más completo es

premiado permitiendo una disminución de los desplazamientos de diseño, desplazamientos

máximos, fuerza de corte de diseño del sistema de aislación y en algunos casos del corte de

diseño de la superestructura. La norma establece un espectro base (que difiere del entregado en

NCh 433) para los casos en que no es necesario o no se ha calculado algún espectro específico

para la estructura, este espectro es mostrado en la figura 5.2, y en la tablas 5.1 se muestran los

diferentes factores que influyen en el.

58


Fig. 5.2 Definición del espectro de diseño de pseudoaceleración.

Tabla 5.1 Definición parámetros de espectro de diseño, según NCh 2745 Of 2003.

Finalmente tenemos el análisis dinámico no lineal (ADNL) o de respuesta en el tiempo, este se

debe realizar con al menos tres pares apropiados de componentes horizontales de registros, estos

deben ser consistentes con el sismo de diseño, en el caso que no se disponga de pares de

componentes de registros reales se pueden utilizar registros artificiales, de hecho la norma

establece tres registros artificiales para cada tipo de suelo. Para el sistema de aislación este

procedimiento permite utilizar un modelo lineal equivalente o un modelo no lineal, siendo

preferible este último ya que representa en forma más precisa la constitutiva de los diferentes

aisladores que se pueden utilizar.

Un análisis no lineal de respuesta en el tiempo es más completo y versátil que los anteriores

permitiendo estructuras que presenten irregularidades, sistemas con una razón de

amortiguamiento modal mayor a 30%, sistemas de aislación que sean dependientes de la

velocidad de deformación y levantamiento. Por todo esto y porque representa de mejor manera el

comportamiento real que una estructura presentaría ante un sismo, es que se puede utilizar para

59


el diseño de cualquier estructura con aislación sísmica, y se debe utilizar en todos los casos en

que la estructura no cumpla con los criterio y requisitos establecidos para el análisis estático y

espectral.

5.4 APLICACIONES GENERALES DE LA NCh 2745 AL EDIFICIO VANGUARDIA.

El primer aspecto es ver cual de los tipos de análisis se utilizará, se decidió por el análisis

no lineal de respuesta en el tiempo por varios motivos: por la altura del edificio que supera los

20 mt y por lo restrictivo se descarto el análisis estático, además que la estructura a pesar de ser

bastante regular presenta algunos detalles que la hacen un poco mas compleja en especial la no

continuidad de ciertos muros de ejes resistentes en el nivel del subterráneo, esto con el fin de

conseguir mayor espacio libre, y que el sistema de aislación se encuentra en el cielo del

subterráneo; tampoco se consideró apropiado la utilización del análisis espectral para el análisis

comparativo principalmente, porque dentro de los sistemas de aislación a analizar esta el FPS, el

cual por su dependencia de la carga vertical y de la velocidad de carga requiere de un análisis de

respuesta en el tiempo, ante esta situación se estima que para poder realizar comparaciones

objetivas entre los distintos sistemas de aislación se deben analizar bajo el mismo marco

conceptual, todo esto reforzado por el hecho que es el procedimiento que más refleja el

comportamiento real de una estructura ante un sismo y de manera mas completa, ya que se puede

evaluar la evolución en el tiempo del sismo de diferentes aspectos que se quieran analizar, es que

se opta por el ADNL.

Para el diseño del edificio Vanguardia se optó por un análisis espectral, utilizando el nuevo

espectro proporcionado por la norma debido a la complicación que producía generar registros

calibrados y compatibilizados con el espectro de la norma, además que el sistema elegido como

definitivo permite este tipo de diseño y es una forma de aplicar otro aspecto importante de la

norma.

A continuación se definen los coeficientes y factores necesarios para el análisis del edifico

Vanguardia según NCh 2745.

Con respecto a la categoría de destino el factor de importancia I se considera 1.0

indiferentemente sea cual sea el tipo y destino de edificación, esto por dos motivos

principalmente, que se tiene mayor certeza sobre el nivel de demanda impuesto a la estructura y

que dentro de la nueva filosofía esta mantener la funcionalidad después de un sismo.

Para calcular los desplazamientos de diseño y máximo se hace necesario definir ciertos factores,

a continuación se presentan las tablas correspondientes, destacándose el caso correspondiente al

presente estudio:

60


Tabla 5.2 Diferentes parámetros necesarios definir para estructuras aisladas definidas en la NCh

2745 Of 2003.

Factor que depende de la zonificación sísmica definida en

NCh 433

Zona Sísmica Z

1 3/4

2 1

3 5/4

Factor de amplificación para el sismo máximo posible

(Probabilidad de excedencia del PGA igual a 10% en 100 años)

Zona Sísmica MM

1 1,2

2 1,2

3 1,2

También se puede definir el coeficiente sísmico de desplazamiento que depende del suelo y de

parámetro ya definidos:

Coeficiente sísmico de desplazamiento, CD y CM

Tipo Suelo CD (mm) CM (mm)

I 200 Z 200 MM Z

II 300 Z 300 MM Z

III 330 Z 330 MM Z

Falta definir el coeficiente de reducción por amortiguamiento ya sea BD o BM, según

corresponda, estos valores tienen directa relación con el amortiguamiento que posee el sistema

de aislación, el cual ayuda a limitar los desplazamientos laterales de los aisladores; los valores

que se presentan se determinaron a partir de las razones entre valores espectrales calculados para

registros compatibles chilenos y distintos niveles de la razón de amortiguamiento. Como es

lógico cada sistema de aislación tiene su propio amortiguamiento, por lo cual tendrán diferentes

valores para este coeficiente y como consecuencia para los desplazamientos.

61


62

Con esto se puede calcular el desplazamiento de diseño y el desplazamiento máximo a través de

las siguientes expresiones:

D

DD

CDB

= MM

M

CDB

=

(Ec. 5.1)

También se debe calcular el desplazamiento de diseño total y el desplazamiento máximo total en

el cual se incluyen los efectos de la torsión tanto natural como accidental, para lo cual se utilizan

las siguientes expresiones:

1.1*TD DD D= 1.1*TM MD D= (Ec. 5.2)

Estos valores de desplazamientos serán calculados en el siguiente capitulo en donde son

necesarios para el diseño de los sistemas de aislación, y otros valores como por ejemplo las

fuerzas laterales tanto para el sistema de aislación como de la superestructura serán analizados

en el capitulo VII donde se diseña el edificio Vanguardia.

C A P I T U L O VI

AISLAMIENTO BASAL

DE LA ESTRUCTURA

6.1 CONDICIONES GENERALES EN EL DISEÑO DE AISLACION BASAL.

Cuando ya se tiene tomada la decisión entregar un mayor nivel de protección a la estructura

y sus contenidos por medio de un sistema de aislación basal, viene el siguiente paso, elegir

dentro de las opciones existentes cual es la más adecuada según las diversas limitantes,

condiciones o requerimientos tanto estructurales como económicos que existan en el proyecto.

Pero sin importar cual sea el sistema de aislación a utilizar, este deberá satisfacer ciertos

requerimientos para asegurar un comportamiento efectivo, los cuales son:

a) Soportar el peso propio y sobrecargas de la estructura con un factor de seguridad

adecuado.

b) Tener una gran flexibilidad horizontal de modo de alargar el período fundamental de

vibración de la estructura a una zona de menos aceleración espectral.

c) Tener una rigidez vertical alta para evitar la amplificación vertical o el balanceo de la

estructura.

d) Proveer de un adecuado nivel de amortiguamiento de modo de reducir la demanda de

deformación sobre el sistema de aislación.

e) Ser capaz de soportar las deformaciones de corte que le serán impuestas por un sismo de

gran magnitud.

f) Mantener su estabilidad vertical antes movimientos sísmicos severos.

g) Proveer una rigidez suficiente para cargas de servicio de la estructura de modo de evitar

vibraciones molestas.

h) El sistema de aislación debe asegurar una vida útil a lo menos igual al de la estructura o

proveer de algún sistema que posibilite el recambio de los aisladores.

i) La efectividad del sistema de aislación no debe estar limitada a la ocurrencia de un sismo

severo, es decir, el sistema debe ser efectivo durante el sismo y después de él, para

soportar las probables replicas.

j) El sistema de aislación deberá permanecer efectivo a través de un rango normal de

condiciones climáticas y ambientales.

63

Aislamiento Basal de la Estructura

6.2 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS DE AISLACION BASAL PARA LA

ESTRUCTURA.

En el presente trabajo de tesis, se decidió analizar tres sistemas de aislación, la elección de

ellos se debió principalmente a que presentan una sólida base teórica, su buen comportamiento

ha sido demostrado tanto teórica como experimentalmente, y más aún, no presentando

problemas enfrentados a sismos de gran magnitud que han afectado a diversas estructuras en

donde se han implementado, por su relación de costos y finalmente por adecuarse de buena

forma a la realidad sísmica de nuestro país, de hecho los dos primeros sistemas son los que han

sido utilizados en las estructuras aisladas en Chile; los sistemas escogidos son:

Aislador elastomérico de alto amortiguamiento (HDR).

Aislador elastomérico con núcleo de plomo (LDR).

Aislador de péndulo friccional (FPS).

6.2.1 DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE AISLACIÓN.

En este capitulo se presenta el proceso de diseño de los aisladores, según lo establecido

en la NCh 2745 y a los procedimientos propuestos por la bibliografía consultada, generando la

que se cree la mejor secuencia de diseño, cabe mencionar que el proceso es iterativo y que el

punto de partida dependerá mucho de los datos y características de entrada que se dispongan, por

lo que no se descarta la utilización de otro método, siendo lo importante que el sistema de

aislación cumpla con los objetivos planteados y con las verificaciones necesarias para asegurar

un buen y seguro comportamiento. Al final de este capitulo se tendrá las características finales

tanto de propiedades como de geometría para cada tipo de aislador.

Existen datos que son comunes para los tres sistemas de aislación es estudio; estos, juntos con

otros datos específicos de cada sistema, serán los que de alguna manera determinaran el como

iniciar el diseño. Los datos en común son:

1) El número de aisladores que se utilizaran en el sistema de aislación, que se denominará

N; para nuestro edificio este valor corresponde a 27 aisladores.

2) Peso total de la estructura sobre el sistema de aislación: W, este corresponde al peso

propio del edificio más un 30 % de la sobrecarga de uso, W= 4844 ton.

64


3) Periodo objetivo deseado: TD, de acuerdo a la experiencia que existe se decide por TD =

2,5 segundos.

4) Carga máxima (Pmax) bajo la cual estará actuando el aislador bajo su vida útil, la cual

esta dada por la combinación de peso propio más sobrecarga y sismo; en nuestro caso

corresponde a 245 ton.

5) Carga mínima (Pmin) bajo la cual estará actuando el aislador durante su vida útil; en

nuestro caso corresponde a 22.5 ton.

6.2.2 DISEÑO DEL AISLADOR ELASTOMERICO DE ALTO AMORTIGUAMIENTO

(HDR).

6.2.2.1 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE UN AISLADOR.

Se presenta el procedimiento paso a paso del diseño de un aislador HDR, a partir de los datos

iniciales que se tienen, como se menciono este proceso es una compilación de la norma NCh

2745 y de las diferentes bibliografías consultadas sobre diseño de estos dispositivos. Junto con

los datos generales que se establecen en 6.2.1, se determinan algunos datos particulares para el

sistema:

a) Se establece los límites para la deformación de corte directa máxima, γs y de la

deformación de corte máxima admisible γmax.

b) Se calcula el desplazamiento de diseño (DD) y el desplazamiento máximo (DM).

c) Se estima un valor del amortiguamiento.

d) Se decide por la forma de la sección transversal.

e) Se establece la tensión admisible de compresión, ACσ

f) Se determina el sistema de conexión de los aisladores.

Luego de esto se procede a realizar el proceso iterativo de cálculo para el diseño, el cual se

detalla en los siguientes pasos:

65


66

2

2

4H Total

D

WKT gπ

=

H TotalH

KK

N=

Paso 1. Calcular la rigidez horizontal total, del todo el sistema de aislación, y luego de

cada aislador en forma independiente, dado por:

(Ec. 6.1)

(Ec. 6.2)

Max

AC

PAσ

=

Paso 2. Con la tensión admisible de compresión y la carga máxima (Pmax), se establece

el área del aislador, que viene dado por:

(Ec. 6.3)

Con esto se puede saber el diámetro del aislador.

Dr

s

DHγ

=

Paso 3. Se calcula un valor para Hr, utilizando la deformación lateral por corte y el

desplazamiento de diseño, con la siguiente relación:

(Ec. 6.4)

Paso 4. Se calcula el valor del modulo de corte, G de la goma, haciendo uso de los datos

anteriores, el valor de G se verifica que este dentro de ciertos rangos típicos y

posibles dentro de las ofertas del mercado.

Paso 5. Se estima un valor para el espesor de la capa de goma, tr de acuerdo a la

experiencia y las recomendaciones. Este valor es muy importante ya que controla

la flexibilidad horizontal del aislador e influye en la rigidez vertical a través del

factor de forma.


67

argArea c adaSArea libre de hinchamiento

=

4e i

r

D DSt−

=

Paso 6. Se calcula el valor del factor de forma, S, el cual es un parámetro adimensional

que mide el “tamaño relativo” de una lamina de goma, se define como la razón

entre el área cargada de la goma y el área que esta libre de hinchamiento (libre de

confinamiento a al expansión):

Y que en casos de aisladores anulares resulta ser:

(Ec. 6.5)

Se recomienda que este valor sea mayor a 10 en los aisladores, ya que esto

asegura que la rigidez vertical será la adecuada y no presentara valores bajos que

no serian deseados. Si no se cumple esta condición se vuelve al punto 6 [12].

r

r

Hnt

=

Paso 7. Según el valor del espesor de la capa de goma y el valor del espesor del espesor

total de goma calculado se determina el número de capas de goma, dada por:

(Ec. 6.6)

1.5 rs Ac

s

tt

σ σ=

Paso 8. Se propone un valor para las placas de acero, ts y se verifica que la tensión de

trabajo no sobrepase el valor admisible. Para esto primero se calcula el valor de la

tensión máxima de tracción en las placas, σs la cual depende del cuociente entre

los espesores de la capa de goma y la de acero y del tensión de comprensión

máxima en el aislador; luego se tiene la tensión admisible σadm, y se debe cumplir

que σs no sobrepase a σadm para que le valor propuesto sea valido:

(Ec. 6.7)

(Ec. 6.8) 0.75adm yσ σ=


68

s admσ σ≤ (Ec. 6.9)

( )1r sh H n t= + −

Paso 9. Calcular la altura total del aislador, la cual es la suma de las capas de goma y las

placas de acero que es la altura parcial del aislador h, más las placas de acero

superior e inferior lo cual entrega la altura total del aislador H:

(Ec. 6.10)

(Ec. 6.11) 2 extH h t= +

cV

r

E AKH

=

Paso 10. Cálculo de la rigidez y frecuencia vertical, se debe verificar que el sistema de

aislación posea una rigidez vertical mínima de manera de disminuir

deformaciones verticales y amplificaciones de las aceleraciones, esto se logra con

una frecuencia vertical que sea superior a 10Hz. La expresión para la rigidez

vertical de un aislador es:

(Ec. 6.12)

En donde A es el área de las placas de acero, Ec es el modulo de compresión para

el conjunto acero-goma, existen variadas formas para evaluar este parámetro, en

este estudio se decide por adoptar el que recomienda la norma NCh 2745, que es:

2

1 1 46 3cE GS K

⎛ ⎞= +⎜ ⎟

⎝ ⎠

(Ec.6.13)

En que K es el modulo de compresibilidad de la goma se considera que su valor es

de 2000 Kg/cm2.

En el cálculo de la frecuencia vertical, si su valor es menor a 10 Hz, se debe

revisar el espesor de la capa de goma en el punto 5.

La frecuencia vertical viene dada por:


69

6V Hf s f=

(Ec. 6.14)

Paso 11. Después se haber realizado las iteraciones, y las modificaciones necesarias, se

calcula el valor del periodo objetivo o de diseño a partir de los datos calculados

para ver que no se haya alejado de cual se comenzó en el diseño.

max s c b s cγ γ γ γ γ γ= + + ≈ +

Paso 12. Se calcula la deformación angular máxima, la cual debe estar bajos ciertos límites

para asegurar que el aislador soportará el caso de un sismo de gran magnitud. La

deformación angular máxima está dada por al suma de las deformaciones

angulares asociadas al corte, compresión y flexión del aislador, sin embargo esta

última se puede despreciar por la poca influencia en comparación con las otras[6],

las siguientes son las expresiones que controlan este estado:

(Ec. 6.15)

Ms

r

DH

γ = (Ec. 6.16)

6c cSγ ε= (Ec. 6.17)

20

/(1 2 )

Maxc

P AE kS

ε =+

(Ec. 6.18)

En donde el valor de E0 es un dato del fabricante y el valor de k se considera por

lo general entre 0.7 y 1. La deformación máxima aceptable se puede expresar por

[7]:

max

0.85.

bpropuestoF S

εγ = (Ec. 6.19)

En donde εb se considera por l general igual a 5.5 y el factor de seguridad igual o

superior a 1.5. Finalmente tenemos:


70

Pr opuestomax maxγ γ≤

1 4 12

s Ecrit

S

P PPP

⎛ ⎞= + −⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

( )S SeffP GA GA= =

ShA A

Hr=

( )2

2eff

E

EIP

h

π=

( ) 13 ceff

EI E I=

4 4

4 2 2e i

Si no se cumple la condición se debe cambiar la altura de la goma en el paso 3.

Paso 13. Verificación al pandeo, esta condición de estabilidad tiene su fundamento en que

bajo la combinación de corte y compresión se puede producir pandeo por flexión,

lo que produce que la ecuación para la rigidez horizontal no sea exacta, ya que el

pandeo causa algunas inclinaciones de las placas internas, haciendo que las caras

de los elementos individuales no sean tan paralelas, lo que cambia un poco el

comportamiento de las laminas de goma. Por esto se calcula el valor de la carga

critica para la cual ocurre el fenómeno de pandeo y luego se verifica un factor de

seguridad adecuado, que por lo general corresponde a 2, para la carga vertical

máxima, la secuencia de expresiones para esto son:

(Ec. 6.20)

En donde PS es una rigidez de corte efectiva y AS es un área de corte efectiva

(Ec. 6.21)

(Ec. 6.22)

La carga de alabeo para una columna sin deformación al esfuerzo al corte es:

(Ec. 6.23)

En donde (EI)eff es la rigidez a la inclinación también denominada “tilting”:

(Ec. 6.24)

D DI π ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

Finalmente se debe cumplir la siguiente condición para asegurar el buen

comportamiento del aislador frente a las cargas que generan el pandeo:


71

. .crit

Max

P F S F SP

≥ ⇒ ≈ 2

MinMax

Min H

PDP K H

φ=

+

. Max

D

DF SD

=

Si no se cumple la condición de pandeo se debe cambiar el diámetro o la altura de

la goma, volviendo al paso 2 o 3.

Paso 14. Verificación al volcamiento, en este caso de determina el máximo desplazamiento

posible ante el cual se puede producir el volcamiento o “roll out”, esto es para una

carga vertical mínima; la expresión para el desplazamiento es:

(Ec. 6.25)

Luego se define el factor de seguridad para el volcamiento, que por lo general es

2, dado por:

Este factor de seguridad es importante verificarlo si el aislador esta conectado a la

estructura por medio de llaves de corte (“dowel type”) o clavijas, ya que en este

caso es mas factible que se produzca el fenómeno. Si el aislador esta conectado

por medio de pernos, este factor de seguridad no adquiere tanta importancia,

porque el tipo de conexión evita el volcamiento, de todas maneras se considera

recomendable que sea mayor que uno. Para nuestro caso se utilizan conexiones de

tipo fija o de pernos.

Paso 15. Se resumen las dimensiones y propiedades finales.

A continuación se presenta un diagrama de flujo donde se resumen los paso antes explicados:


Paso 1: Calculo de rigidez horizontal. Kh

Paso 2: Calculo del área necesaria, de acuerdo a la presión de compresión

Paso 3: Calculo de la altura de goma total, Hr

Paso 4: Calculo del valor de G

Paso 5: Se estima el valor para el espesor de goma, tr

Paso 6: Se calcula el factor de forma S, y se verificar valor de tr.

Paso 7: Se determina la cantidad de capas de goma.

Paso 8: Se estima un valor para el espesor de láminas de acero, y se comprueba con la tensión admisible

Paso 9: Se calcula la altura total del aislador.

Paso 10: Se calcula rigidez y frecuencia vertical, verificando que se encuentre dentro de rangos normales

Paso 11: Con los nuevos datos se verifica rigidez horizontal y periodo aislado.

Paso 12: Se verifica que la deformación angular máxima este dentro de los rangos.

Paso 13: Se verifica la carga crítica de pandeo. Que entregue un factor de seguridad adecuado.

Paso 14: Se verifica al volcamiento.

Paso 14: Si se ha cumplido todas condiciones, se entrega la configuración final del aislador

Diagrama de flujo de diseño del aislador HDR

72


6.2.2.2 DISEÑO DEL AISLADOR.

Para nuestro caso ya tenemos establecidos la cantidad de aisladores, el peso sísmico de la

estructura sobre el sistema de aislación, el periodo objetivo y las cargas máximas y mínimas que

actuaran sobre el aislador; además se establecen a priori los siguientes datos iniciales:

Deformación de corte directa máxima, γs: 150 %.

Deformación de corte máxima admisible, γmax: 250 %.

Sección anular, con un diámetro inicial de 10 cm (Di = 10 cm).

Amortiguamiento efectivo del sistema, β = 12 %.

Conexión fija o de pernos.

La tensión de admisible de compresión, σAC = 90 kg/cm2.

Cálculo del desplazamiento de diseño:

CD = 300 * Z = 375 mm.

BD = 1.49.

DD = 375 / 1.49 = 25.16 cm.

DTD = 1.1 * DD = 27.67 cm.

Cálculo del desplazamiento máximo:

CM = 330 * MM * Z = 495 mm.

BM = 1.49.

DM = 495 / 1.49 = 33.22 cm.

DTM = 1.1 * DM = 36.54 cm.

Por lo que la ficha técnica de nuestro aislador es:

• Numero de aisladores, N : 27

• Peso sísmico de la estructura, W : 4844 ton.

• Periodo objetivo, TD : 2.5 seg.

73


74

• Deformación de corte máxima admisible, γmax : 250 %.

• Amortiguamiento, β : 12 %.

• Tensión admisible de compresión, σAC : 90 kg/cm2

• Carga máxima, PMax : 245 ton.

• Carga mínima, PMin : 26.4 ton.

• Desplazamiento de diseño, DD : 25.16 cm.

• Desplazamiento máximo, DM : 33.22 cm.

A continuación se presenta la aplicación de los pasos de diseños establecidos anteriormente:

2

2

4* *4844 3120.27 / .2.5 *9.806HTotalK ton mtπ

= =

3120.27 115.56 / .27HK t= = on mt

Paso 1. Rigidez horizontal total, y de cada aislador en forma independiente:

2245000 2722.2290

A cm= =

2 2

4 4e iD D Aπ

⎡ ⎤− =⎢ ⎥

⎣ ⎦

Paso 2. Se establece el área del aislador:

El diámetro exterior se calcula:

De = 59.71 cm. ≈ 60 cm.

Se calcula un valor para Hr:

25.16 16.77 17.51.5rH c= = ⇒ m


75

H rK HGA

=

21155.6*17.5 7.43 /2722.22

G K= = g cm

m

22400 /y kg cmσ =

3st m=

6rt mm=

60 10 20.834*0.6

S Ok−= = ⇒

17.5 29.16 290.6

n n= = ⇒ =

* 29

Paso 3. Se calcula el valor del modulo de corte, G:

Paso 4. La capa de goma, tiene un espesor tr de:

Paso 5. Se calcula el valor del factor de forma, S,

*0.6 17.4r rH n t cm= = =

Paso 6. Se determina el número de capas de goma, dada por:

Con lo que la nueva altura de goma es:

Paso 7. Se propone para ts:

20.61.5* *90 270 /0.3s kg cmσ = =


76

21800 /adm kg cmσ =

270 1800 Ok≤ ⇒

17.4 28*0.3 25.8h cm= + =

25.8 2*2.0 29.8H cm= + =

6*20.83*0.4 20.40Vf Hz Ok= = ⇒

2

1 1 46*7.43*2 3*20000cE

⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠

cm

0.83

Paso 8. La altura total del aislador:

28448.40 /cE kg=

8448.40*2722.2217.4VK =

1321747.32 /VK kg cm=

Paso 9. Cálculo de la rigidez y frecuencia vertical:

La rigidez vertical es aproximadamente 1000 veces la horizontal que es lo común

y recomendado.

7.43*2722.22 116.24 /17.4HK ton mt= =

Paso 10. Se verifica del periodo objetivo:


77

24* *4844 2.49 2.5 .9.806*116.24*27

T Okπ= = ≈ ⇒

33.22 1.9017.4sγ = =

2

6*90*20.83 0.5335 49 20.83cγ = =

+ *

max 1.90 0.53 2.43γ = + =

max0.85*5.5 3.12

1.5propuestoγ = =

2.43 3.12 Ok≤ ⇒

225.82722.22* 4036.39s 17.4A cm= =

7.43*4036.39 29990.38sP Kg= =

4636141.83I c= m

8448.40*636141.83( ) 17914602203effEI = =

2

2

*1791460220 26562411.6225.8EP π

= =

29990.38 26562411.621 4* 1 585.75 .2 9990.38crit 2

Paso 11. Se calcula la deformación angular máxima:

P Ton⎛ ⎞

= + − =⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

Paso 12. Verificación al pandeo:


585.75 2.40 2.0245

Ok= > ⇒

max26.4*60 28.12

26.4 1.16*25.8D = =

+

28.12. 125.16

F S = = .12

Paso 13. Verificación al volcamiento:

Valor que es menor que 2.0, pero que es aceptable debido a que la conexión de los

aisladores a la estructura es a través de la conexión fija o de pernos, siendo en este

caso sólo necesario que el factor de seguridad sea mayor que uno, lo que en

nuestro caso se cumple sin problemas.

Paso 14. Las características finales del aislador HDR son:

Diámetro exterior de 60 cm y diámetro interior de 10cm.

Una altura total de 29.8 cm, de los cuales 17.4 corresponden a goma (29 capas de

6 mm) y 8.4 cm de acero (28 laminas de 3 mm)

Modulo de corte de 7.43 Kg/cm2.

Una rigidez horizontal de 1.16 ton/cm y una rigidez vertical un poco superior a

1000 veces la horizontal.

Finalmente se presenta un esquema del aislador que resulta del diseño:

Fig. 6.1 Esquema de la configuración del aislador HDR.

78


79

ACσ

2

2

4H Total

D

WKT gπ

=

H TotalH

K

6.2.3 DISEÑO DEL AISLADOR ELASTOMERICO CON NUCLEO DE PLOMO

(LRB).


Se presenta el procedimiento paso a paso del diseño de un aislador LRB, a partir de los datos

iniciales que se tienen, el diseño es bastante similar al realizado con el HDR, con algunas

modificaciones producto de la inclusión del núcleo de plomo. Es importante recordar que en este

caso el sistema de aislación esta compuesto por una combinación de aisladores HDR y LRB,

éstos últimos se ubican perimetralmente. Se entregan datos particulares para el sistema:

a) Se establece el límite para la deformación de corte directa máxima, γs que se considera

igual para los sistemas.


c) Se estima un valor del amortiguamiento efectivo del sistema de aislación.

d) Se decide por la forma de la sección transversal.

e) Se establece el valor de la tensión de fluencia del plomo.

f) Se establece la tensión admisible de compresión,

g) Se determina el sistema de conexión de los aisladores.




cada aislador en forma independiente, aunque en rigor los sistemas tienen

diferente rigidez horizontal se puede aproximar inicialmente que este valor será

igual para los dos:

(Ec. 6.26)

KN

=

Paso 2. Con la tensión admisible de compresión y la carga máxima (Pmax), se establece el

área de la goma del aislador, que viene dado por:


80

Dr

s

DHγ

=

Max

AC

PAσ

=

%QW

=

(Ec.6.27)

Con esto se puede saber el diámetro del aislador.

py

QAτ

=

Paso 3. Se establece un valor para la capacidad del aislador a cero deformación en función

del peso de la estructura, con esto unido al valor de tensión de fluencia del plomo

se puede obtener el diámetro de plomo, el cual se verifica que este dentro de

ciertos rangos [15], [6].

(Ec. 6.28)

6 3pD Dd≤ ≤

(Ec. 6.29)

Paso 4. Se calcula un valor para Hr, utilizando la deformación lateral por corte y el

desplazamiento de diseño, este valor es el mismo tanto para LRB como para

HDR, (Ec. 6.4):

Paso 5. Se calcula el valor del modulo de corte, G de la goma, haciendo uso de los datos

anteriores, el valor de G se verifica que este dentro de ciertos rangos típicos y

posibles dentro de las ofertas del mercado.

Paso 6. Se estima un valor para el espesor de la capa de goma, tr de acuerdo a la

experiencia y las recomendaciones. Nuevamente este valor es el mismo para los

dos sistemas.

Paso 7. Se calcula el valor del factor de forma, S:


81

4 r

r

r

Hnt

=

1.5 rs Ac

s

tt

σ σ=

0.75adm yσ σ=

s admσ σ≤

e iD DSt−

=

2 2

4p

r

D dS

Dt−

=

Sin núcleo de plomo (Ec. 6.5):

Con núcleo de plomo:

(Ec. 6.30)

Se recomienda que este valor sea mayor a 10 en los aisladores. Si no se cumple

esta condición se vuelve al punto 6.

Paso 8. Según el valor del espesor de la capa de goma y el valor del espesor del espesor

total de goma calculado se determina el número de capas de goma, dada por (Ec

6.6):

Paso 9. Se propone un valor para las placas de acero, ts y se verifica que la tensión de

trabajo no sobrepase el valor admisible (Ecs. 6.7 a 6.9):

Paso 10. Calcular la altura total del aislador, la cual es la suma de las capas de goma y las

placas de acero que corresponde a la altura parcial del aislador h, más las placas

de acero superior e inferior lo cual entrega la altura total del aislador H, es

importante hacer notar que el valor de h también corresponderá a la altura del

núcleo de plomo, Hl:


82

( )1r sh Hl H n t= = + −

2 extH h t= +

2

1 1 46 3cE GS K

⎛ ⎞= +⎜ ⎟

⎝ ⎠

, 1.1rp l l 5GAK f f

H= =

r

(Ec. 6.31)

Paso 11. Se calcula el valor de la rigidez del aislador con núcleo de plomo, la cual se

considera un 15 % mayor que la rigidez de la goma del aislador sin corazón de

plomo, también se calcula la rigidez inicial y la rigidez efectiva del LRB:

(Ec. 6.32)

( )6.5 10i pK a= K

eff pQK KD

= +

(Ec. 6.33)

(5.5 9)y pQD en donde J a KJ

= =…

y p yF Q K D= +

Paso 12. Se determina el valor del desplazamiento de fluencia y con esto se calcula la

fuerza de fluencia del dispositivo:

(Ec. 6.34)

l pcV

r l

E AE AKH H

= +

Paso 13. Cálculo de la rigidez y frecuencia vertical, se debe verificar que la frecuencia

vertical sea superior a 10Hz. La expresión para la rigidez vertical de un aislador

con núcleo de plomo es:

(Ec. 6.35)

En donde A es el área de las placas de acero, Ec es el modulo de compresión para

el conjunto acero-goma, existen variadas formas para evaluar este parámetro, en

este estudio se decide por adoptar el que recomienda la norma NCh 2745, que es

(Ec.6.13):


83

6V Hf s f=

max s c b s cγ γ γ γ γ γ= + + ≈ +

Ms

r

DH

γ =

6c cSγ ε=

20

/(1 2 )

MaxP A

En que K es el modulo de compresibilidad de la goma se considera que su valor es

de 20000 kg/cm2.

El valor de El es de: 140000 kg/cm2.

En este caso la formula de la frecuencia vertical se utiliza tanto para el aislador

con plomo como el que no posee (Ec. 6.14):

Paso 14. Después se haber realizado las iteraciones, y las modificaciones necesarias, se

calcula el valor del periodo objetivo o de diseño a partir de los datos calculados

para ver que no se haya alejado de cual se comenzó en el diseño.

c E kSε =

+

max0.85

.bpropuesto

F Sεγ =

Paso 15. Se calcula la deformación angular máxima. La deformación angular máxima está

dada por al suma de las deformaciones angulares asociadas al corte, compresión y

flexión del aislador, sin embargo esta última se puede despreciar por la poca

influencia en comparación con las otras, las siguientes son las expresiones que

controlan este estado (Ecs. 6.15 a 6.18):

En donde el valor de E0 es un dato del fabricante y el valor de k se considera por

lo general entre 0.7 y 1. Como existen dos valores de forma se tiene que calcular

la deformación debido a la compresión por separado para los aisladores.

La deformación máxima aceptable se puede expresar por (Ec. 6.19):

En donde εb se considera por lo general igual a 5.5 y el factor de seguridad igual o

superior a 1.5. Finalmente tenemos:


84

Pr opuestomax maxγ γ≤

1 4 12s E

critS

P PPP

⎛ ⎞= + −⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

( )S SeffP GA GA= =

ShA A

Hr=

( )2

2eff

E

EIP

h

π=

( ) 13 ceff

EI E I=

4 4

4 2 2e i

Si no se cumple la condición se debe cambiar la altura de la goma en el paso 3.

D DI π ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

Paso 16. Verificación al pande, se calcula el valor de la carga critica para la cual ocurre el

fenómeno de pandeo y luego se verifica un factor de seguridad adecuado, que por

lo general corresponde a 2, para la carga vertical máxima, la secuencia de

expresiones para esto son (Ecs. 6.20 a 6.24):

En donde PS es una rigidez de corte efectiva y AS es un área de corte efectiva, que

para el caso del aislador LRB incluye el área de plomo

La carga de alabeo para una columna sin deformación al esfuerzo al corte es:

En donde (EI)eff es la rigidez a la inclinación también denominada “tilting”:

Finalmente se debe cumplir la siguiente condición para asegurar el buen

comportamiento del aislador frente a las cargas que generan el pandeo:


85

. .crit

Max

P F S F SP

≥ ⇒ ≈ 2

MinMax

Min H

PDP

Si no se cumple la condición de pandeo se debe cambiar el diámetro o la altura de

la goma, volviendo al paso 2 o 3.

K Hφ

=+

. Max

D

DF SD

=

Paso 17. Verificación al volcamiento, en este caso de determina el máximo desplazamiento

posible ante el cual se puede producir el volcamiento o “roll out”, esto es para una

carga vertical mínima; aunque no es de vital, importancia se calcula el

desplazamiento para los dos tipos de aisladores, utilizando la rigidez lateral de

post-fluencia en el caso del aislador con corazón de plomo (Ec.6.25):

Luego se define el factor de seguridad para el volcamiento, que por lo general es

2, dado por:

Este factor de seguridad es de poca relevancia debido a que se utilizan conexiones

de tipo fija o de pernos.

Paso 18. Se resumen las dimensiones y propiedades finales.



86

Paso 1: Calculo de rigidez horizontal. Kh

Paso 2: Calculo del área necesaria, de acuerdo a la presión de compresión

Paso 3: Se establece la capacidad a cero deformación y el área de plomo.

Paso 4: Calculo de la altura de goma total,

Paso 5: Calculo del valor de G.

Paso 6: Se estima el valor para el espesor de goma, tr

Paso 7: Se calcula el factor de forma S para ambos sistemas, y se verificar valor de tr.

Paso 8: Se determina la cantidad de capas de goma.

Paso 11: Se calcula la rigidez post-fluencia y efectiva del aislador.

Paso 12: Se calcula el valor de la fuerza de fluencia.

Paso 13: Se calcula rigidez y frecuencia vertical, verificando que se encuentre dentro de rangos normales

Paso 14: Con los nuevos datos se verifica rigidez horizontal y periodo aislado.

Paso 15: Se verifica que la deformación angular máxima este dentro de los rangos.

Paso 16: Se verifica la carga crítica de pandeo. Que entregue un factor de seguridad adecuado.

Paso 9: Se estima un valor para el espesor de láminas de acero, y se comprueba con la tensión admisible.

Paso 10: Se calcula la altura total del aislador.

Paso 17: Se verifica al volcamiento.

Paso 18: Si se ha cumplido todas condiciones, se entrega la configuración final del aislador

Diagrama de Flujo del diseño del aislador LRB


87





Deformación de corte directa máxima, γs: 150 %.

18 aisladores HDR y 9 aisladores LRB.

Sección anular, con un diámetro inicial de 10 cm (Di = 10 cm).


La tensión de admisible de compresión, σAC = 90 kg/cm2.

18*0.12 9*0.22 0.153 15%27Tβ +

= = ⇒

Amortiguamiento efectivo del sistema; para el caso de HDR se utiliza β = 12 % y

para LRB se utiliza β = 22 %, para unir los efectos:


CD = 300 * Z = 375 mm.

BD = 1.67.

DD = 375 / 1.67 = 22.46 cm.

DTD = 1.1 * DD = 24.70 cm.


CM = 330 * MM * Z = 495 mm.

BM = 1.67.

DM = 495 / 1.67 = 29.64 cm.

DTM = 1.1 * DM = 32.60 cm.


88


• Numero de aisladores, N : 27; 18 HDR más 9 LRB.



• Deformación de corte máxima admisible, γmax : 250 %.


• Tensión admisible de compresión, σAC : 90 kg/cm2






2

2

4* *4844 3120.27 / .2.5 *9.806HTotalK ton mtπ

= =

3120.27 115.56 / .27HK t= = on mt


A pesar de que tienen distinta rigidez, se puede aproximar inicialmente un valor

individual idéntico:

2245000 2722.2290

A cm= =

Paso 2. Se establece el área del aislador:

El diámetro exterior se calcula:

2 2

4 4e iD D Aπ

⎡ ⎤− =⎢ ⎥

⎣ ⎦

De = 59.71 cm. ≈ 60 cm.


89

2 % 3

H rK HGA

=

m6rt m=

22.46 14.97 15.61.5rH cm= = ⇒

23660 36.60 6.83 10100p i pA cm D d Ok= = → = = ⇒

10 10 20pd≤ = ≤

7.85

2.94 / 9 3.66Q Q ton tonW

= ⇒ = =

Paso 3. Para el valor inicial de la capacidad del aislador se considera el 2% del peso,

según la recomendación dada para el tipo de suelo [15]:

Con este nuevo valor de diámetro se calcula el valor definitivo de la capacidad

del aislador:

Q ton=

Paso 4. Se calcula un valor para Hr:

2 21155.6*15.6 6.62 / 6.6 /2722.22

G kg cm kg cm= = ⇒

Paso 5. Se calcula el valor del modulo de corte, G:

Paso 6. La capa de goma, tiene un espesor tr de:

Paso 7. Se calcula el valor del factor de forma, S,


90

m

60 10 20.834*0.6

S O

22400 /y kg cmσ =

21800 /adm kg cmσ =

3st m=

k−= = ⇒

2 260 10 24.304*60*0.6

S O−= = ⇒

20.61.5* *90 270 /0.3s kg cmσ = =

270 1800 Ok≤ ⇒

k

15.6 260.6

n = =

15.6 25*0.3 23.1lh H cm= = + =

*

Para el HDR:

Para el LRB:

Paso 8. Se determina el número de capas de goma, dada por:

Paso 9. Se propone para ts:

23.1 2 2.0 27.1H cm= + =

Paso 10. La altura total del aislador:

Paso 11. Se calcula el valor de la rigidez para el aislador con corazón de plomo:


91

*0.8 8.97yF ton

6.6*2722.221.15 1324.46 / 1.324 /15.6pK kg cm ton cm= = →

7.85 1.40= + =

278501324.46 974.95 / 0.975 /22.46

K kg cm ton cm= − = →

0 / 78 /iK kg cm ton cm= = →68*974.95 7799.

7.85 0.857*1.32yD cm= =

2

1 1 46*6.6*20.83 3*20000cE

⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠

28008.51 /cE kg cm=

8008.51*2722.22 1397496 /15.6VK kg cm= =

140000*78.541397496 1873496 /23.1

La rigidez post-fluencia es:

La rigidez inicial se considera como 8 veces la de post-fluencia:

Paso 12. Se determina el valor del desplazamiento de fluencia y con esto se calcula la fuerza

de fluencia del dispositivo:

Paso 13. Cálculo de la rigidez y frecuencia vertical:

Para el caso HDR:

Para el caso LRB tenemos:

VK kg cm= + =


92

0

max 1.90 0.53 2.43γ = + =

6*20.83* .4 20.40Vf Hz Ok= = ⇒

.46*24.30*0 23.81Vf Hz Ok= = ⇒

21.54Vf Hz Ok= ⇒

29.64 1.915.6sγ = =

2

6*90*20.83 0.5335 49 20.83cγ = =

+ *

2

6*90*24.30 0.4635 49*24.30cpγ = =

+

6.6*2722.22 1151.71 /15.6HK ton mt= =

24* *4844 2.504 2.59.806*115.17 27

T Okπ= = ≈ ⇒

*

La rigidez vertical en ambos casos es aproximadamente 1000 veces la horizontal

que es lo común y recomendado.

La frecuencia vertical para el caso HDR y LRB respectivamente son:

Y como efecto global tenemos:

Paso 14. Se verifica del periodo objetivo:

Paso 15. Se calcula la deformación angular máxima,

La contribución por la compresión para HDR y LRB respectivamente es:

El valor máximo para HDR y LRB es:


93

max 1.90 0.46 2.36pγ = + =

max0.85*5.5 3.12

1.5propuestoγ = =

2.43 3.12 Ok≤ ⇒

4636141.83I c= m

2.36 3.12 Ok≤ ⇒

223.12722.22* 4030.9815.6sA cm= =

223.12726.77* 4037.7215.6sA cm= =

6.6*4030.98 26604.47sP kg= =

( ) 8008.51*636141.83 16981827363eff

EI = =

26604.47 31409441

El valor máximo para ambos es:

Con lo cual:

2

2

*1698182736 3140944123.1EP kπ

= =

1 4* 1 900.922 26604.47critP ton

⎛ ⎞= + − =⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

g

6.6*4037.72 26648.95sP kg= =

Paso 16. Verificación al pandeo:

Para el caso HDR:

Para el caso LRB:


94

6361170.30I =

( ) 8008.51*636170.3 16982587373eff

EI = =

2

2

*1698258737 31410846.6923.1EP kπ

= = g

26648.95 31410846.691 4* 1 901.692 26648.95critP ton

⎛ ⎞= + − =⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

900.92 3.67 2.0245

Ok= > ⇒

901.69 3.68 2.0245

Ok= > ⇒

max26.4*60 30.30

26.4 1.12*23.1D = =

+

30.30. 125.16

F S = = .20

max26.4*60 27.84

26.4 *23.1D = =

1.32

+

27.84. 125.16

F S = = .11

Paso 17. Verificación al volcamiento:

Para HDR:

Valores que son menores que 2.0, pero que es aceptable debido a que la conexión

de los aisladores a la estructura es a través de la conexión fija o de pernos, siendo

en este caso sólo necesario que el factor de seguridad sea mayor que uno.


Paso 18. Las características finales del aislador son:

HDR:

Diámetro exterior de 60 cm y diámetro interior de 10cm.




Una rigidez horizontal de 1.15 ton/cm y una rigidez vertical un poco superior a

1000 veces la horizontal.

LRB:

Diámetro exterior de 60 cm y diámetro interior de plomo de 10 cm.




Una capacidad a cero deformación, Q, de 7.85 ton.

Fuerza de fluencia de 8.97 ton.

Una rigidez horizontal post-fluencia de 0.97 ton/cm y una rigidez vertical un poco

superior a 1000 veces la horizontal.

Finalmente se presenta un esquema del aislador después de haber terminado el

diseño:

Fig. 6.2 Esquema de la configuración del aislador LDR.

95


96

2

2

4H Total

D

WKT gπ

=

H TotalH

K

6.2.4 DISEÑO DEL AISLADOR DE PENDULO FRICCIONAL (FPS).


Se presenta el procedimiento del diseño del aislador FPS. Este procedimiento tiene

características similares a los empleados en los aisladores elastoméricos en especial con el de

núcleo de plomo; obviamente con diferencias importantes, ya que el sistema es diferente en

materiales y como actúa, pero también posee una constitutiva bilineal. Junto con los datos

generales que se establecen en 6.2.1, se determinan algunos datos particulares para el sistema:

a) Se estima un valor del amortiguamiento.


c) Definir un coeficiente de fricción,µ, de acuerdo a las recomendaciones.

d) Se establece la tensión admisible de compresión del teflón.

e) Se determina el sistema de conexión de los aisladores.




cada aislador en forma independiente, dado por:

(Ec. 6.36)

K

N=

Paso 2. Una de las características interesantes del aislador friccional es que el periodo

solo depende del radio de curvatura, es independiente del peso, por lo cual dado

el periodo objetivo se obtiene el valor del radio de curvatura necesario, con la

siguiente expresión:

2

24T gR

π=

(Ec. 6.37)


97

eff pWK KD

µ= +

Paso 3. Calcular la rigidez post-deslizamiento del sistema y el valor de la fuerza de

activación del sistema, dadas por la siguientes expresiones:

(Ec. 6.38)

yF Wµ=

(Ec. 6.39)

Maxs

Ac

PAσ

=

Paso 4. Definida la tensión admisible de compresión se calcula el área de contacto del

“slider” o deslizador articulado, dada por:

(Ec. 6.40)

Paso 5. Se calcula la dimensión horizontal del aislador, este parámetro se obtiene a partir

del desplazamiento debido al sismo máximo posible más el diámetro del

deslizador articulado, Ds por lo cual tenemos lo siguiente:

2 TM sD D D= + (Ec. 6.41)

t AcF Aσ= s

p b cF Aσ=

Paso 6. Dimensionar la placa inferior del aislador, ya que se generan tensiones debido a la

carga que trasmite el deslizador sobre un área de la placa, por lo tanto la placa

debe soportar el aplastamiento a la cual es sometida. La carga trasmitida a la

placa viene dada por:

(Ec. 6.42)

La fuerza resistida por la placa viene dada por:

(Ec. 6.43)

En donde σb es la tensión admisible de compresión y Ac es el área proyectada de

contacto:

( )224c sA D hπ

= +


98

Resolviendo la siguiente igualdad se obtiene el valor del espesor de la placa, h:

t pF F= (Ec. 6.44)

( )2 21 2H h R R D= + − −

2 10.7H H=

2 23 2H R R D= − −

1 2 3T anclajeH H H H H= + + +

Paso 7. Se establece la altura del aislador compuesta por la altura de la placa que esta en

contacto con el deslizador articulado, H1 más la altura de la placa que contiene el

deslizador, H2 y el espacio libre que queda entre las dos, H3; por lo que tenemos:

(Ec. 6.45)

Además se establece la dimensión horizontal total, en donde a la dimensión total

del aislador en si se agrega una dimensión exterior que se utiliza para colocar el

sello que protege al aislador contra factores ambientales y por motivos

constructivos.

2T extD D D= +

Paso 8. Se resumen las características finales.



99

Paso 1: Calculo de rigidez horizontal. Kh del sistema y de cada aislador

Paso 2: Calculo del radio de curvatura, para obtener el período deseado.

Paso 3: Se establece la rigidez efectiva y la fuerza de activación del sistema.

Paso 4: Calculo del área del deslizador articulado necesario para soportar presiones.

Paso 5: Se determina la dimensión horizontal del aislador.

Paso 6: Se dimensiona la placa que esta en contacto con el slider, para que soporte los esfuerzos impuestos.

Paso 7: Se establece las alturas parciales y total del aislador.

Paso 8: Se presentan las características finales.

Diagrama de flujo del diseño del aislador FPS






Amortiguamiento efectivo del sistema, β = 23 %.

Coeficiente de fricción, µ = 0.07.


La tensión de admisible de compresión en el teflón, σAC = 450 kg/cm2.


CD = 300 * Z = 375 mm.

BD = 2.05.

DD = 375 / 2.05 = 18.3 cm.

DTD = 1.1 * DD = 20.12 cm.


CM = 330 * MM * Z = 495 mm.

BM = 2.05.

DM = 495 / 2.05 = 24.15 cm.

DTM = 1.1 * DM = 26.56 cm.


• Numero de aisladores, N : 27




• Tensión admisible de compresión en el teflón, σAC : 460 kg/cm2

100


101

2

2

4* *4844 3120.27 / .2.5 *9.806HTotalK ton mtπ

= =

3120.27 115.56 / .27HK t= = on mt

2

2

2.5 *9.806 155.244

R cπ

= = m

0.07*179.40 12.55yF ton= =

2235000 510.86460sA cm= =

20.07*149.40







Paso 2. Se calcula el radio de curvatura necesario:

115.57 58.43 /0.1830

K ton mt= − =

Paso 3. Calcular la rigidez efectiva del sistema y el valor de la fuerza de activación del

sistema:

Paso 4. Se calcula el área de contacto del “slider” o deslizador articulado:


102

25.5sD cm=

25.52 26.56 52.06D cm= + =

g460*510.86 234995.6tF k= =

( )

Paso 5. Se calcula la dimensión horizontal del aislador, D2 :

2150* 25.5 24pF hπ

= +

Paso 6. Se dimensiona la placa inferior del aislador. La carga trasmitida a la placa es:

La fuerza resistida por la placa queda expresada por la siguiente expresión en

donde se considera σb igual a 150 kg/cm2:

Resolviendo la siguiente igualdad encontramos el valor de h:

( )2234995.6 150* 25.5 24

hπ= +

9.58h cm =

( )( )221 9.58 155 155 0.5*52.06 11.78H c= + − − = m

m2 0.7*11.78 8.25H c= =

( )223 155 155 0.5*52.06 2.20 2.5H c= − − = → m

m11.78 8.25 2.5 4 26.53TH c= + + + =

Paso 7. Se establece la altura del aislador, compuesta por:


52.06 2*4 60.06 60TD cm= + = ≈

Además se establece la dimensión horizontal total:

Paso 8. Las características finales del aislador FPS son:

Radio de curvatura, R de 155 cm.

El diámetro del deslizador articulado, Ds es de 25.5 cm.

La dimensión representativa horizontal del aislador es de 52.06.

La altura total del aislador es de 26.53 cm.

Finalmente se entrega un esquema del aislador con sus principales dimensiones

después del diseño:

Fig. 6.3 Esquema de la configuración del aislador FPS.

6.2.5 PROPIEDADES DE LA MODELACION BILINEAL.

En la práctica la mayoría de los sistemas de aislación, y en particular los tres que se

analizan en este trabajo, pueden ser representados por un modelo bilineal, ya que las curvas de

histéresis pueden ser idealizadas de muy buena forma con ésta aproximación bilineal; el modelo

bilineal se basa principalmente sobre tres parámetros: la rigidez inicial, la rigidez post-fluencia y

la fuerza a cero deformación. Esta modelación es muy útil para caracterizar el comportamiento

no lineal de los aisladores con la cual se puede realizar un análisis dinámico tipo “time-history”.

Para nuestro caso se definirán las propiedades bilineales y adicionalmente otros parámetros

como el amortiguamiento efectivo, energía disipada; que son necesarios para los análisis que se

103


104

realizaran con el programa SAP2000, en especial lo referente al análisis en el tiempo con un

registro. En la figura 6.4 se presenta un esquema de una representación bilineal:

Fig. 6.4 Esquema del modelo bilineal.

Ahora presentaremos las características que se usan para la modelación bilineal y en las

propiedades lineales y no lineales de los elementos Nllink, las cuales serán usadas en el siguiente

capitulo.

Para el caso HDR:

Del diseño tenemos los siguientes datos:

Keff = 115.56 ton/mt.

DD = 0.2516 mt.

Además podemos establecer:

Dy = 0.1*Hr = 0.1*0.175 = 0.0175 mt.

ξ = 0.07.

Con esto establecemos

La energía disipada por los aisladores es:

22D HW K Dπ ξ=

22* *115.56*0.2516 *0.07DW π= (Ec. 6.46)

3.217 *DW ton mt=


105

2 effQK KD

= −

23.44115.56 101.89 /

0.2516K ton mt= − =

1 2y

QDK K

=−

1 298.48 /K ton mt=

1 23K K=

2y yF Q K D= +

3.44 101.89*0.0175 5.22yF ton= + =

2 2.51 /rad segTπω = =

2DWC

Dπ ω=

2

3.217 6.26 * /*0.2516 *2.51

C ton s mtπ

= =

4 ( )D yW Q D D= −

3.44Q ton

Para obtener el valor de capacidad a cero deformación, Q:

(Ec. 6.47)

=

Las rigideces viene dadas por:

(Ec. 6.48)

La fuerza de fluencia es:

La frecuencia angular y el amortiguamiento efectivo respectivamente son:

(Ec. 6.49)

Con esto se termina completamente el diseño y la presentación de las características del

aislador HDR que se propone para el edificio Vanguardia. Finalmente ante la

imposibilidad técnica de realizar un modelo real y aplicar ensayos dinámicos obteniendo

resultados experimentales del aislador, se recurre a curvas de histéresis obtenidas en el

Laboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de Vibraciones del Departamento de

Ingeniería Estructural de la Universidad Católica de Chile [17] aplicadas a aisladores de

características que se pueden extrapolar como ser los niveles de carga, configuración


geométrica, espesores de capas, desplazamiento de diseño, con lo cual se puede

extrapolar y de alguna forma ver que los resultados obtenidos son consistentes,

adecuados y que se encuentran dentro de los rangos típicos para los diferente parámetros

que conforman un aislador; en la fig. 6.5 se muestra el caso particular para un aislador

HDR, se presenta una secuencia las cuales representan las curvas histeréticas para

diferentes niveles de deformación, para mostrar como cambian ciertas propiedades de los

aisladores con este parámetro, siendo la denominada como figura 04 la que representa las

condiciones de diseño:

106


Fig. 6.5 Curvas histeréticas de un aislador HDR, de diámetro exterior 90 cm, diámetro

interior 15 cm, de 20 capas de goma de 8 mm, analizados para el proyecto del Hospital

Militar.

107


108

22D HW K Dπ ξ=

4 ( )D yW Q D D= −

1 2y

QDK K

=−

K K1 23=

22* *115.1*0.2246 *0.07DW π=

mt2.55 *DW ton=

3.0

Para el caso donde están conjuntamente LRB y HDR:

Del diseño tenemos los siguientes datos para HDR


DD = 0.2246 mt.


Dy = 0.1*Hr = 0.1*0.156 = 0.0156 mt.

ξ = 0.07.

Con esto establecemos

La energía disipada por los aisladores es (Ec. 6.46):

Para obtener el valor de capacidad a cero deformación, Q (Ec. 6.47):

5Q ton=

Las rigideces viene dadas por:

23.05115.1 101.52 /

0.2246K ton mt= − =

1 297.03 /K ton mt=


109

*


3.05 101.52 0.0156 4.63yF ton= + =

2

2.55 6.41 * /*0.2246 *

C ton s mtπ

= =

7.85*0.2246TDW = +

*TDW ton mt=

2.51

4T gomaD D LW W Q D= +

*2.55 4

9.60

La fuerza de fluencia es:

La frecuencia angular y el amortiguamiento efectivo respectivamente son (Ec. 6.49):

Del diseño tenemos los siguientes datos para el LRB

Keff = 132.4 ton/mt

DD = 0.2246 mt.

K2 = 97.5 ton/mt.

Dy = 0.85 cm.

QL = 7.85 ton.

Fy = 8.97 ton.

K1= 8*K2

Podemos establecer la energía disipada, la cual esta compuesta por la contribución de la

goma más la del plomo, la simplicidad de la suma algebraica es debido que se considera

que la goma y el núcleo de plomo actúan en forma paralela, por lo que lo que tenemos:

(Ec. 6.50)

El amortiguamiento efectivo total del sistema LRB es:

2

TDWC

Dπ ω=

(Ec. 6.51)

2

9.60 24.13 * /*0.2246 *2.51

C ton s mtπ

= =

Con esto se termina completamente el diseño y la presentación de las características del

sistema de aislación conformado por aisladores HDR y LRB propuesto para el edificio


Vanguardia, como en el caso anterior se presentan curvas histeréticas que sirven como

verificación de las características de los dispositivos, como es entendible en este caso la

principal atención se los llevan los aisladores LRB, por lo cual en la fig. 6.6 se presenta

una secuencia de curvas de éste tipo de aislador; para diferentes niveles de deformación,

para mostrar como cambian ciertas propiedades de los aisladores con este parámetro,

siendo la denominada como figura 04 la que representa las condiciones de diseño:

110


Fig. 6.6 Curvas histeréticas de un aislador LRB, de diámetro exterior 90 cm, diámetro

de plomo 15 cm, de 20 capas de goma de 8 mm, analizados para el proyecto del Hospital

Militar.

111


112

1 2y

QDK K

=−

1 225K K=

4DW WDµ=

4*0.07*179.40*0.1830DW =

9.20 *DW ton mt=

2

0.8924

yy

FD c

K= = m

mt1 1468.53 /K ton=


2DWC

Dπ

Para el caso FPS:

Del diseño tenemos los siguientes datos:


DD = 0.1830 mt.

Fy = 12.55 ton.

K2 = 58.42 ton/mt.


(Ec. 6.52)

Establecemos la energía disipada por los aisladores:

(Ec. 6.53)

La frecuencia angular y el amortiguamiento efectivo respectivamente son:

ω=

2

9.20 34.84 * /*0.1830 *2.51

C ton s mtπ

= =

Con esto se termina completamente el diseño y la presentación de las características del aislador

FPS que se propone para el edificio Vanguardia. Finalmente en la figura 6.7 se presenta una

curva histerética de un dispositivo deslizador friccional, pero sólo de referencia ya que no

corresponde propiamente tal a un péndulo friccional, porque en nuestro país no se ha construido

ningún edifico con éste dispositivo, por lo cual no se disponen de ensayos a dispositivos reales

aplicados a edificios:

Fig. 6.7 Curva de histéresis de dispositivo deslizador friccional utilizado en el Edificio San

Agustín; Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica.

113

C A P I T U L O VII

ANALISIS Y DISEÑO DE LA

ESTRUCTURA AISLADA

7.1 ANALISIS DINAMICO NO LINEAL DE LA ESTRUCTURA.

La realización de un análisis dinámico no lineal al edificio Vanguardia tiene múltiples e

importantes razones, respecto a la aplicación de éste procedimiento ya se ha dejado entrever en

los capítulos anteriores que el ADNL corresponde a un análisis que debe ser aplicado a la

estructura ya sea por diseño o verificación de comportamiento, además es uno de los propuestos

por la norma NCh 2745 Of. 2003 en la cual se basa el análisis del edificio Vanguardia, dentro de

las ventajas comparativas respecto a los otros análisis disponibles, es que se puede aplicar a

cualquier estructura con aislación sísmica, sin importar las restricciones referentes al sistema

estructural o de aislación que se presentan en la norma. Según establece la NCh 2745 Of 2003 el

análisis de historia de respuesta en el tiempo (Time History) se debe realizar con al menos tres

pares de componentes horizontales de registros que sean apropiados, se entiende con esto que

posean magnitudes, distancia a la falla fuentes de mecanismo del sismo y tipo de suelo que sean

consistentes con el sismo de diseño, estos pares de registros de deben aplicar simultáneamente,

siendo el desplazamiento máximo del sistema de aislación la suma vectorial de los dos

desplazamientos ortogonales para cada instante.

El análisis en el tiempo se puede realizar con un modelo lineal equivalente o un modelo no

lineal, se opta por éste último porque representa en forma más precisa la constitutiva del sistema

de aislación.

Desde el punto de vista de los objetivos que se desea cumplir con la realización de este análisis

están:

Verificar el diseño de los tres sistemas de aislación diseñados en el capitulo 6.

La elección de la alternativa mas razonable de aislación, esto quiere decir cual de los

tres sistemas entrega el mejor comportamiento a través de la comparación de

parámetros de interés y claves en la respuesta.

114

Análisis y Diseño de la Estructura Aislada

Comparar el comportamiento de la estructura convencional versus la estructura

aislada bajo los mismos parámetros mencionados, para ver la efectividad real de

incluir un sistema de aislación en el edificio Vanguardia y si esto presenta verdaderas

conveniencias del punto de vista de la respuesta.

Conocer cual de los registros utilizados en este estudio es más desfavorable como

carga sísmica para el sistema de aislación y del edificio.

Para realizar el tercer punto mencionado anteriormente se aplicará el registro más desfavorable a

la estructura convencional, esto sólo para poder comparar de buena manera los dos tipos de

comportamiento en los parámetros de interés, pero no con el fin de analizar ni diseñar los

elementos de la estructura convencional, ya que esto se realizó en la capitulo IV.

Los parámetros de interés a los que se hace mención se presentan a continuación:

Desplazamiento del sistema de aislación.

Desplazamiento relativo de la superestructura.

Aceleración de los diferentes niveles de la superestructura.

Corte basal de la superestructura.

Se decidió por estos parámetros de comparación por se los que de mejor manera representan la

respuesta de la estructura y porque están directamente relacionados con el nivel de daño y

sobrevivencia de la estructura.

7.1.1 DEFINICIÓN DE REGISTROS.

Para el presente estudio se consideraron registros de 2 componentes horizontales de

aceleración, los cuales se obtuvieron durante el gran terremoto del 3 de marzo de 1985 (MS =

7.8), estos son el registro de Melipilla la componente EW y el registro de Llolleo, la componente

N10E. Esta elección es principalmente por lo representativo de estos registros y porque son

registros del mayor sismo del cual se tienen datos. El análisis con el registro de Llolleo se

presenta en el Anexo C. En la figura 7.1 se muestran los registros a utilizar y en la tabla 7.1

características de ellos:

115


Fig. 7.1 Componentes horizontales de aceleración de los registros de Melipilla y Llolleo,

registrados durante el terremoto del 3 de marzo de 1985.

Tabla 7.1 Características de los Registros usados en el análisis de historia en el tiempo.

Registros empleados en el estudio

Estación Fecha Sismo Componente Ac. Max Vmax Dmax cm/s2/g cm/s cm

Melipilla 03-03-1985 NS -0.687 34.289 13.3 Llolleo 03-03-1985 N10E -0.713 -40.295 -10.786

7.1.2 RESULTADOS DEL ADNL APLICADO AL EDIFICIO VANGUARDIA.

Esta sección se puede dividir en tres partes; la primera consiste en aplicar un registro a la

estructura con los tres tipos sistemas de aislación para realizar la verificación de que cada

sistema funciona como se desea y la elección del que presente un mejor comportamiento, para

116


esto se seleccionó el registro de Melipilla (Llolleo se presenta en Anexo C); finalmente se realiza

la comparación con la edificio Vanguardia convencional con el aislado aplicando el registro de

Melipilla al caso sin aislación y comparando con los resultados antes obtenidos para el caso

aislado.

7.1.2.1 VERIFICACIÓN Y ELECCIÓN DEL SISTEMA DE AISLACIÓN.

Como primer paso se verificará que los sistemas de aislación produzcan el periodo

deseado y se mostraran sus modos de vibrar.

Caso HDR:

Tabla 7.2 Resultados del análisis modal del Edificio Vanguardia con el sistema HDR

PERIODOS Y PARTICIPACIÓN MODAL CASO HDR

Modo Periodo Frecuencia Ux Uy Rz (seg) (ciclos/seg)

1 2.530646 2.4828 0.619787 0.154136 0.079461 2 2.499069 2.5142 0.177637 0.648846 0.646062 3 2.199363 2.8568 0.03019 0.028595 0.086496 4 0.925571 6.7884 4.831E-11 4.67E-09 2.237E-09 5 0.690455 9.1001 9.923E-08 1.341E-07 1.021E-08 6 0.634833 9.8974 1.767E-08 1.38E-08 1.757E-09 7 0.389381 16.136 1.987E-07 8.56E-10 3.195E-08 8 0.385202 16.311 2.934E-10 1.917E-09 6.57E-09 9 0.27964 22.469 2.01E-08 3.236E-08 1.147E-11 10 0.267089 23.525 0.000182 3.804E-06 0.000109 11 0.241757 25.99 2.996E-07 1.183E-07 3.767E-08 12 0.225156 27.906 5.906E-09 2.97E-08 1.511E-09

En la tabla 7.2 vemos que el período fundamental de la estructura aislada con el sistema HDR

corresponde a 2.53 segundos (≈ 2.5), lo que corresponde al período objetivo, flexibilizando

notablemente la estructura, de la participación modal observamos que el modo primero ocurre en

X, debido a que Ux es mayor que Uy y Rz. El segundo período más importante es de 2.49 seg y

117


118

tiene mayor participación en Y; finalmente el tercer período es de 2.19 seg y tiene una mayor

participación modal en Z, lo que indica que es un modo torsional, se puede observar que los

períodos aislados corresponden a los tres primeros en que éstos corresponden a la casi totalidad

de la respuesta, ya que los modos superiores no tienen mucha relevancia en el movimiento de la

estructura, además es importante destacar que los dos periodos traslacionales son muy idénticos,

lo cual es muy característico de las estructuras que cuentan con un sistema de aislación siendo su

relación de prácticamente 1 y que el período torsional solo difiere levemente de los períodos

traslacionales siendo su relación 1.15 que es cercana a 1, que es lo ideal, esto refleja en general

una buena distribución en planta de los aisladores, pero también hay que decir que no es la

óptima ya que en el modo 2 se puede ver que hay una importante contribución torsional.

También se observa de las formas modales que la flexibilización ocurre prácticamente en

totalidad en el sistema de aislación, en esta interfaz ocurre casi la totalidad del desplazamiento

mientras que la superestructura permanece como si fuera un cuerpo rígido.

En las figuras 7.2, 7.3 y 7.4 se muestran el primer, segundo y tercer modo respectivamente.

Fig. 7.2 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores de alto amortiguamiento,

modo traslacional en X.


119

Fig. 7.3 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores de alto amortiguamiento,

modo traslacional en Y.

Fig. 7.4 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con aisladores de alto amortiguamiento,

modo rotacional en Z.


Caso HDR y LRB:

Tabla 7.3 Resultados del análisis modal del Edificio Vanguardia con el sistema Mixto.

PERIODOS Y PARTICIPACIÓN MODAL CASO MIXTO HDR Y LRB


1 2.48782 2.5256 0.771592 0.026866 0.251698 2 2.45977 2.5544 0.031022 0.793987 0.445939 3 2.148881 2.9239 0.025017 0.00673 0.114399 4 0.92557 6.7885 2.55E-10 4.867E-09 3.44E-09 5 0.690444 9.1002 9.35E-08 1.186E-07 1.107E-08 6 0.634833 9.8974 1.848E-08 1.543E-08 1.698E-09 7 0.38938 16.136 1.943E-07 1.146E-09 2.988E-08 8 0.385189 16.312 4.998E-10 6.446E-09 1.34E-08 9 0.279628 22.47 2.155E-08 2.225E-08 2.46E-10 10 0.262778 23.911 0.000176 3.426E-06 0.000104 11 0.241726 25.993 4.002E-07 6.872E-08 8.674E-08 12 0.225155 27.906 6.03E-09 2.864E-08 1.69E-09

En la tabla 7.3 vemos que el período fundamental de la estructura con sistema de aislación mixto

conformado por HDR más LRB corresponde a 2.48 segundos (≈ 2.5), lo que corresponde al

período objetivo, de la participación modal observamos que el modo primero ocurre en X. El

segundo período más importante es de 2.46 seg y tiene mayor participación en Y; finalmente el

tercer período es de 2.14 seg y tiene una mayor participación modal en Z, lo que indica que es un

modo torsional, nuevamente los períodos aislados corresponden a los tres primeros en que éstos

corresponden a la casi totalidad de la respuesta, ya que los modos superiores no tienen mucha

relevancia en el movimiento de la estructura, los dos periodos traslacionales son muy idénticos,

siendo su relación prácticamente 1 y que el período torsional solo difiere levemente de los

períodos traslacionales siendo su relación 1.15 que es cercana a 1, que es lo ideal, esto refleja

una buena distribución en planta de los aisladores, es interesante notar que en este caso las

participaciones modales son mucho más marcadas que el caso anterior, esto quiere decir que la

dirección predominante en el modo tiene poca interferencia de las otras direcciones, por lo que

las que son traslacionales tienen poca influencia torsional, hecho que sucedía en el modo 2 del

caso con un sistema de HDR exclusivamente, esto es positivo y de alguna forma refleja que se

consiguió el efecto deseado con incluir aisladores LRB en la periferia del edificio para ayudar a

que tenga un mejor comportamiento torsional y que el posicionamiento de los aisladores LRB

estuvo acertada.

120


121

También se observa de las formas modales que la flexibilización ocurre prácticamente en

totalidad en el sistema de aislación, en esta interfaz ocurre casi la totalidad del desplazamiento

mientras que la superestructura permanece como si fuera un cuerpo rígido.


Fig. 7.5 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema mixto conformado por

aisladores LRB en la periferia y HDR, modo traslacional en X.

Fig. 7.6 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con sistema mixto conformado por

aisladores LRB en la periferia y HDR, modo traslacional en Y.


122

Fig. 7.7 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema mixto conformado por

aisladores LRB en la periferia y HDR, modo torsional en Z.

Caso FPS:

Tabla 7.4 Resultados del análisis modal del Edificio Vanguardia con el sistema FPS.

PERIODOS Y PARTICIPACIÓN MODAL CASO FPS


1 2.523424 2.4899 0.589349 0.183669 0.060451 2 2.493948 2.5194 0.207978 0.676516 0.663713 3 2.197925 2.8587 0.030608 0.027634 0.088124 4 0.925564 6.7885 7.544E-10 1.196E-08 6.913E-09 5 0.690369 9.1012 2.902E-08 3.588E-08 3.746E-09 6 0.63483 9.8974 2.058E-08 1.754E-08 1.968E-09 7 0.389377 16.137 2.004E-07 1.038E-09 3.195E-08 8 0.385129 16.315 2.687E-12 5.668E-09 8.101E-09 9 0.27957 22.474 8.108E-09 3.238E-09 4.198E-10 10 0.241845 25.98 2.409E-06 1.25E-07 1.604E-06 11 0.235046 26.732 0.000077 3.257E-06 0.000047 12 0.225149 27.907 2.516E-08 1.488E-08 1.498E-08


123

En la tabla 7.4 vemos que el período fundamental de la estructura con el sistema de aislación

FPS corresponde a 2.52 segundos (≈ 2.5), lo que corresponde al período objetivo, de la

participación modal observamos que el modo primero ocurre en X.

El segundo período más importante es de 2.49 seg y tiene mayor participación en Y; finalmente

el tercer período es de 2.19 seg y tiene una mayor participación modal en Z, lo que indica que es

un modo torsional, nuevamente los períodos aislados corresponden a los tres primeros en que

éstos corresponden a la casi totalidad de la respuesta, ya que los modos superiores no tienen

mucha relevancia en el movimiento de la estructura, los períodos aislados traslacionales se

encuentran bien cercanos, siendo su relación prácticamente igual a 1, el período aislado

rotacional tampoco se aleja mucho teniendo un relación igual a 1.15 que es bastante satisfactoria

, pero al igual que en el caso con el sistema HDR se observa que en el modo 2 existe una

importante influencia torsional, lo cual es una desventaja.

Finalmente se observa que nuevamente que el desplazamiento se concentra principalmente en la

interfaz de aislación, pero con deformaciones en la superestructura levemente mayores que los

casos anteriores, de todos modos esto se comprobara con los análisis posteriores.


Fig. 7.8 Primer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS, modo traslacional en X.


124

Fig. 7.9 Segundo modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS, modo traslacional en

Y.

Fig. 7.10 Tercer modo de edificio Vanguardia aislado con sistema FPS, modo rotacional en Z.


125

20.562

21.507

21.810

19.000

20.000

21.000

22.000

Deformación (cm)

HDR LRB+HDR FPS

Tipo de Sistema

Deformación Sistema Aislación en X, Registro Melipilla

Ahora se procederá a realizar el time history propiamente tal, se aplicará el registro de Melipilla

al edificio vanguardia y se analizaran los parámetros escogidos para finalmente basados en éstos

resultados decidir cual de los tres sistemas de aislación será el elegido para nuestro caso.

7.1.2.1.1 DESPLAZAMIENTO DEL SISTEMA DE AISLACIÓN.

Este parámetro es importante conocerlo principalmente por dos motivos, para verificar si

este desplazamiento se encuentra dentro del rango dado por el SDI, lo cual tiene que cumplirse

para que el sistema sea efectivo, ya que el sistema de aislación es el que absorbe la mayor

cantidad de deformación; además en el diseño y construcción de un edificio aislado sirve para

definir valores para la junta de separación entre el edificio y el terreno u otros elementos

circundantes. A continuación en la tabla 7.5 se presentan los valores respectivos de deformación

para cada sistema de aislación, y además en la figuras 7.11 y 7.12 la visualización gráfica:

Tabla 7.5 Deformaciones del sistema de aislación para el registro de Melipilla.

DEFORMACION DEL SISTEMA DE AISLACIÓN

Tipo de Sistema Deformación para el registro de Melipilla, (cm) de Aislación Caso Sismo en X Caso Sismo en Y

HDR 20.562 20.512 LRB+HDR 21.507 21.395

FPS 21.810 19.948

Ahora se presentan los respectivos gráficos:

Melipilla.

Fig. 7.11 Deformación de los sistemas de aislación, en la dirección X, aplicando el registro de


126

20.512

21.395

19.948

19.000

20.000

21.000

22.000

Deformación cm

HDR LRB+HDR FPS

Tipo de Sistema

Deformación Sistema Aislación en Y, Registro Melipilla

Fig. 7.12 Deformación de los sistemas de aislación, en la dirección Y, aplicando el registro de

Melipilla.

De la tabla y de lo gráficos, se puede apreciar que las deformaciones tanto en la dirección X

como Y se encuentran sobre los 20 cm, pero en todos los casos bajo la deformación impuesta por

el SMP, e inclusive bajo los valores entregados por el SDI, por lo cual se puede esperar que los

tres sistemas de aislación cumplen con el objetivo de responder de buena manera ante el peor

escenario sísmico estudiado. Desde el punto de vista comparativo entre los sistemas de aislación

es estudio, las diferencias no son muy significativas, para la dirección X el que presenta el menor

desplazamiento es sistema HDR seguido por el sistema mixto conformado por LRB más HDR,

pero la diferencia entre ellos es mínima, es del orden de 1.0 cm lo cual no se puede considerar

como una diferencia de desplazamiento importante lo mismo ocurre con el sistema FPS que para

esta dirección es que el que presenta la mayor deformación, ya que este es 1.3 cm con respecto al

sistema HDR. El análisis en la dirección Y arrojó que el sistema FPS presenta la menor

deformación, pero nuevamente ocurre lo mencionado anteriormente, que las diferencias en

desplazamientos son pequeñas, el sistema que le sigue es el HDR con una diferencia de

aproximadamente 0.5 cm y finalmente para esta dirección el que presenta una mayor

deformación es el sistema mixto con un diferencia respecto al FPS de 1.4 cm aproximadamente.

Como observación acerca de este punto tenemos que en los gráficos aparece como si la

diferencia entre los sistemas fuera más importante que lo que realmente es, esto debido a que se


privilegio una escala vertical más detallada para lograr visualizar las diferencias. Los resultados

están dentro de lo que se esperaba y lo que era lógico, se podría haber pensado que el sistema

mixto podría haber presentado un menor desplazamiento con respecto al sistema HDR debido a

sus características, siendo los resultados prácticamente similares para estos sistemas, siendo la

principal causa que entre los sistemas existen diferencias de modulo de corte de la goma, altura

de la goma y otros parámetros, además que incluir los LDR, que son sólo 9, tenía como principal

objetivo ayudar al comportamiento torsional de la estructura.

El punto analizado entregó buenos resultados desde el punto de vista del comportamiento de los

sistemas, pero por lo similar de los resultados no implica un punto que pueda hacer la diferencia

entre escoger entre un sistema u otro.

7.1.2.1.2 DESPLAZAMIENTO RELATIVO DE LA SUPERESTRUCTURA.

El desplazamiento de entrepiso o drift es un parámetro importante de diseño debido a que

esta relacionado de manera muy directa con el daño a elementos estructurales y no estructurales,

por lo tanto su eficiencia en este aspecto se transmite en una mayor protección sobre la

estructura. Por todo esto para que los sistemas de aislación sean eficaces la superestructura no

debería presentar grandes desplazamientos relativos. La evaluación de los drift nos puede

entregar valiosa información para determinar que sistema conviene más para nuestro caso en

particular. Como el sistema de aislación se ubica en el nivel superior del subterráneo, hay que

tener ciertas precauciones para interpretar bien los resultados, para esto en la tabla 7.6 y en la

figura 7.13 se presenta la respuesta de los desplazamientos del edificio Vanguardia en altura,

esto es entregar el perfil del edificio para los tres sistemas de aislación en estudio teniendo como

referencia para todos los valores el nivel de fundación que es donde se esta aplicando el registro.

Los valores de desplazamiento máximo de cada nivel respecto a la base y su representación

entregan valiosa información, con ello se puede observar claramente que la mayor deformación

ocurre en la interfaz de aislación y que la deformación de los diferentes niveles no experimenta

cambios importantes ni amplificaciones en altura, comportándose el edificio prácticamente como

un cuerpo rígido sobre el sistema de aislación.

Además de analizar la deformación relativa respecto a la base del edificio, es muy importante y

recomendable analizar el desplazamiento relativo entre los diferentes niveles de la estructura

(drift), como en nuestro caso estamos aplicando un análisis dinámico no lineal, lo correcto es ver

el comportamiento de los drift en el tiempo, el cual es mostrado en la figura 7.14 para cada nivel,

con los tres sistemas de aislación y según la dirección de análisis, con estos nuevos antecedentes

se podrá complementar la información ya entregada, y adicionalmente nos permite conocer

importantes detalles, entre ellos saber con certeza el máximo valor de los desplazamientos

127


relativos o drift para cada sistema de aislación y de esta manera poder comparar en el tiempo

cual de los tres sistemas genera en la estructura un mejor comportamiento tanto en cada nivel

como en la globalidad de ella.

Además de conocer los valores máximos, un análisis de la historia en el tiempo de los drift

permite detectar cualquier irregularidad que se produzca durante la ocurrencia de un sismo

severo que presente características similares al que se ésta aplicando, tales como cambios

bruscos o puntos singulares de la curvas, y a la vez con la forma de las curvas en el tiempo se

puede observar como influye cada sistema de aislación en las tendencias de comportamiento que

presente la estructura, similitudes que puedan existir, la existencia de máximos relativos y su

duración en el tiempo; todos estos antecedentes conforman un panorama más completo que

permite detectar los beneficios de cada sistema sobre el edificio Vanguardia.

El acertado análisis y la correcta información que se pueda extraer de los desplazamientos

relativos entre los niveles de la estructura es de gran relevancia, ya que como se mencionó son

un indicador potente del nivel de daño que puede sufrir la estructura al se sometido a un sismo

severo

Los drift se presentan en tanto porciento y para tener una mayor claridad numérica de los valores

máximos de desplazamiento respecto al suelo para cada nivel y sistema se pude ver la tabla 7.6.

Tabla 7.6 Valores de deformación relativa respecto al suelo para los distintos niveles del

Edificio Vanguardia con cada sistema de aislación.

Deformación Relativa de Edificio Vanguardia

Deformación para Registro de Melipilla, (cm) HDR Mixto FPS Nivel

Sismo X Sismo Y Sismo X Sismo Y Sismo X Sismo Y 8 21.0078 20.1725 -22.0934 -21.0686 -22.0790 -18.0021 7 20.9617 20.9857 -21.9764 -21.9055 -22.0295 -19.9312 6 20.9500 21.0135 -21.9058 -21.9378 -22.0329 -20.4524 5 20.9465 20.9410 -21.8714 -21.8650 -22.0730 -20.4107 4 20.9265 20.8646 -21.8187 -21.7881 -22.0971 -20.3707 3 20.9131 20.7332 -21.8351 -21.6535 -22.1540 -20.0263 2 20.8613 20.6685 -21.8220 -21.5890 -22.1686 -20.1189

Interfaz Aislación 20.8157 20.6160 -21.7657 -21.5014 -22.0802 -20.0444 1 0.25375 0.10433 -0.25903 -0.10640 -0.27028 -0.09668

128


129

Respuesta de Desplazamiento en X para Edificio Vanguardia, Registro Melipilla

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30

Deformación cm

Niv

el d

e Pi

soHDR LRB+HDR FPS

Respuesta de Desplazamiento en Y para Edificio Vanguardia, Registro Melipilla

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25

Deformación cm

Niv

el d

e Pi

so

HDR LRB+HDR FPS

Fig. 7.13 Respuesta en altura del Edificio Vanguardia de la deformación relativa, respecto al

nivel de fundación, en cada dirección aplicando el registro de Melipilla.


130

Fig. 7.14 Respuesta en el Tiempo de los Drift del Edificio Vanguardia.

(Desde el Nivel Primero al Nivel Séptimo)

Dirección X Dirección Y

1 Nivel 1 Nivel


131


Tabla 7.6 Valores máximos de los drift por cada nivel del Edificio Vanguardia aplicado el

registro de Melipilla.

Valores Máximos de Drift en X por Piso

Nivel HDR LRB+HDR FPS 1 0.0638 0.0893 0.0857 2 0.0225 0.0236 0.0408 3 0.02 0.0244 0.0431 4 0.0102 0.0162 0.008 5 0.0115 0.013 0.0141 6 0.0103 0.0221 0.0233 7 0.0262 0.0458 0.0489

Valores Máximos de Drift en Y por Piso

Nivel HDR LRB+HDR FPS 1 0.1089 0.1065 0.3771 2 0.0225 0.0233 0.1456 3 0.0663 0.0528 0.1458 4 0.0237 0.0236 0.0128 5 0.0222 0.0223 0.013 6 0.0954 0.0588 0.2656 7 1.143 0.7649 3.116

De los gráficos y las tablas expuestas podemos ver que los sistemas de aislación responden de

buena manera, con valores de desplazamiento relativo pequeños lo cual sucede en ambas

dirección de análisis, por lo que dentro de este contexto los tres sistemas contribuyen a mantener

los drift en valores deseables para la estructura.

Ahora comparativamente al confrontar los sistemas entre si se puede decir que en ninguna de las

dos direcciones de análisis sucede que un sólo sistema entregue los menores drift, que son

representados con color verde en las tablas, pero si existen tendencias, en la dirección X el

sistema HDR es que posee la mayor cantidad de mínimos drift y en la dirección Y esto ocurre

con el sistema mixto; con respecto a los valores máximos de desplazamiento relativo la

tendencia es mas clara en ambas direcciones, siendo el sistema FPS el que las posee, por lo que

bajo este parámetro y teniendo una visión global del comportamiento, este sistema resulta ser el

menos beneficioso para el edificio Vanguardia, además es interesante mencionar que éste

sistema en las mayoría de los pisos presenta un comportamiento bien característico que se

132


asemeja bastante al movimiento del péndulo, con esto queda reflejado la marcada influencia del

sistema sobre el desplazamiento relativo y por último por esta misma forma que tiene las curvas

del FPS, los desplazamientos relativos máximos son más prolongados en el tiempo lo cual

también es un desventaja para el sistema respecto a los otros dos sistemas de aislación. Como se

menciono anteriormente el sistema HDR y el mixto son los que presentan globalmente para la

estructura los mejores resultados, además su comportamiento en el tiempo y en ambas

direcciones es bastante similar cualitativamente y cuantitativamente, ya que los valores de drift

máximos son bastantes cercanos en la mayorías de los pisos del edificio, por lo que en lo

referente a desplazamientos relativos los sistemas son bastantes parejos, existiendo una pequeña

inclinación por el sistema HDR, ya que es el que presenta la mayor cantidad de menores drift y

la menor cantidad de mayores drift.

7.1.2.1.3 ACELERACIONES ABSOLUTAS EN LA SUPERESTRUCTURA.

En esta sección se presentan la historia en el tiempo de las aceleraciones absolutas para

cada nivel de piso del edificio Vanguardia; este parámetro es importante dentro del diseño

porque tiene relación con los daños que pueda presenta la estructura al ser sometida a un sismo

severo, y principalmente con el nivel de fuerzas y daños que pueden sufrir los equipos y

contenidos que se encuentren al interior de la estructura.

En el caso del edifico Vanguardia como esta destinado a oficinas va a depender del tipo de ellas

la importancia de los equipos, pero por lo general su importancia económica no es tan

importante, como si fuera por ejemplo un hospital, sin embargo siempre es un parámetro que es

bueno y que se debe controlar, además que valores bajos de aceleración ayuda a evitar el pánico

en las personas que habitan el edificio.

En la figura 7.15 se muestran los perfiles de aceleración del edificio Vanguardia para los

sistemas de aislación es estudio y para cada dirección de análisis, para tener una visión general

de la respuesta y como influye cada sistema de aislación

De la figura 7.15 se puede apreciar claramente el efecto que tiene la aislación basal sobre una

estructura, ya que los tres sistemas producen una notable disminución del valor de la aceleración

que es entregada al edificio. Se tiene que en la dirección Y se produce una mayor reducción con

respecto a X en los tres casos, aunque la diferencia entre las aceleraciones de las direcciones de

análisis es mínima, también es evidente que las aceleraciones sobre el sistemas de aislación

varían poco entre los diferentes niveles del edificio, lo cual es beneficioso para el edificio, este

efecto es mas marcado en los sistemas HDR y Mixto, ya que el sistema FPS se presentan unas

pequeñas distorsiones en altura.

133


134

Respuesta de Aceleración en Y del Edificio Vanguardia

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Aceleración (g)

Niv

el d

e Pi

so

HDR LRB+HDR FPS

Respuesta de Aceleración Absoluta en X del Edificio Vanguardia

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Aceleración (g)

Niv

el d

e Pi

so

HDR LRB+HDR FPS

Fig. 7.15 Respuesta en altura del Edificio Vanguardia de las aceleraciones absolutas, en cada

dirección aplicando el registro de Melipilla.


135

En la figura 7.16 se muestran las gráficas de las aceleraciones absolutas en el tiempo del edificio

Vanguardia por piso en X e Y respectivamente con cada sistema de aislación para decidir cual es

el que presenta un mejor comportamiento bajo este parámetro:

Fig. 7.16 Respuesta en el Tiempo de la Aceleración Absoluta del Edificio Vanguardia.



1 Nivel 1 Nivel


136


Tabla 7.7 Valores máximos de las aceleraciones absolutas por cada nivel del Edificio

Vanguardia aplicado el registro de Melipilla.

Valores Máximos de Aceleración Absoluta en X por Piso

Nivel HDR LRB+HDR FPS 1 -0.037791 0.062542 0.046814 2 -0.036828 0.061511 0.035121 3 -0.035685 0.060484 0.033237 4 -0.037031 0.061398 0.038077 5 -0.038343 0.063371 -0.040447 6 -0.039521 0.065592 0.058321 7 -0.040369 0.067100 0.066673

Valores Máximos de Aceleración Absoluta en Y por Piso

Nivel HDR LRB+HDR FPS 1 -0.035861 0.060370 -0.038962 2 -0.035549 0.059709 0.023029 3 -0.035606 0.060522 0.022729 4 -0.036792 0.061550 0.041517 5 -0.037903 0.062608 0.060649 6 -0.039013 0.063540 0.076896 7 -0.040302 0.064069 0.076168

De los resultados se observa que los valores de las aceleraciones en el tiempo son de magnitud

pequeña esto sucede en ambas direcciones entregando cada sistema de aislación un rango de

aceleraciones muy favorables para la estructura, por lo que bajo este concepto los tres sistemas

en estudio responden y son efectivos en la reducción de aceleraciones, en general los sistemas

presentan valores cercanos. Siendo más específico, analizando cada gráfico de aceleraciones

podemos extraer varias observaciones, existe una clara tendencia favorable hacia el sistema

HDR, ya que en ambas direcciones es el que presenta las menores aceleraciones en la mayoría de

los niveles del edificio Vanguardia, lo cual también se puede apreciar en la tabla 7.7 (celdas de

color verde), no superando los 0.0404g (valor que ocurre en el último nivel del edificio

Vanguardia).

La tendencia igual es clara para determinar cual de los tres sistemas es comparativamente el

menos beneficioso, este es el sistema Mixto, el cual presenta las mayores aceleraciones en ambas

137

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea


138

direcciones de análisis, incluso en X todos los valores máximos recaen en éste sistema, esto

queda totalmente claro en la tabla 7.7 (celdas de color amarillo). El sistema FPS desde el punto

de vista de las máximas aceleraciones se encuentra en un estado intermedio entre el sistema

HDR y el Mixto.

La forma de las curvas para el sistema HDR y Mixto son muy similares en todo el rango de

tiempo en los diferentes niveles, con lo cual se puede apreciar la influencia de que los dos sean

elastoméricos y también que para el caso del edificio Vanguardia incluir apoyos con núcleo de

plomo no conlleva mayores beneficios para la estructura en cuanto a aceleraciones absolutas se

refiere.

Finalmente globalmente bajo el parámetro de las aceleraciones absolutas el sistema que tiene el

mejor desempeño es el HDR, seguido del sistema FPS y en último lugar el sistema Mixto.

7.1.2.1.4 CORTE BASAL DE LA SUPERESTRUCTURA.

El corte basal es un parámetro de diseño muy importante ya que refleja de manera directa

el nivel de esfuerzos de los elementos estructurales por nivel, que a la vez influye sobre los

daños de elementos estructurales y las plastificaciones de ellos. En la figura 7.17 se muestra el

perfil de respuesta de corte basal en altura del edificio Vanguardia en las dos direcciones de

análisis para tener una visión general del comportamiento:


139

Fig. 7.17 Respuesta en altura del Edificio Vanguardia para los cortes basales, en cada dirección

aplicando el registro de Melipilla.

De la figura 7.17 se puede apreciar que el comportamiento de la estructura con los tres sistemas

de aislación tiene la forma típica, presentando un comportamiento un poco más irregular el

sistema FPS en el sentido X.

Con respecto a los valores de corte basal el sistema HDR es que se comporta de mejor manera,

obteniéndoos el menor corte basal total, valor menor que 700 Ton. a diferencia de los otros dos

sistemas que se encuentran sobre este valor, situación que ocurre en las dos direcciones de

análisis, los mismo sucede en cada nivel de la estructura. El sistema que sigue en efectividad es

el Mixto ya que respecto al sistema FPS presenta valores de corte total menores, un

comportamiento más regular en altura, y a pesar que en algunos niveles el corte es mayor que el

sistema FPS, la tendencia global favorece al sistema Mixto, por lo tanto el sistema menos

beneficioso desde el punto de vista de corte basal es el FPS.

Para complementar lo anterior y verificar que el comportamiento del corte basal en el tiempo no

presente ninguna irregularidad que no pueda ser detectada por el análisis de los valores máximos

y ver que tendencias genera cada sistema de aislación en la estructura sobre este parámetro y

posibles similitudes o singularidades, se presenta en la figura 7.18 la historia en el tiempo del

corte basal para los diferentes niveles del edifico Vanguardia:


140

Fig. 7.18 Respuesta en el Tiempo del Corte Basal del Edificio Vanguardia

(Desde nivel subterráneo hasta el nivel séptimo)


Nivel Sub Nivel Sub


141


142

Tabla 7.8 Valores máximos de los cortes basales por cada nivel del Edificio Vanguardia

aplicado el registro de Melipilla.

Valores Máximos de Corte Basal en X por Piso

Nivel HDR LRB+HDR FPS Sub 664.455 721.943 847.791

1 463.074 522.048 560.299 2 270.460 336.512 277.281 3 133.109 192.755 97.973 4 91.446 114.608 126.717 5 108.368 97.361 158.420 6 98.656 83.505 140.528 7 23.186 21.130 3.946

Valores Máximos de Corte Basal en Y por Piso

Nivel HDR LRB+HDR FPS Sub 666.200 717.765 772.002

1 567.421 606.719 644.103 2 466.089 499.018 516.567 3 359.760 386.415 408.448 4 270.220 292.644 293.282 5 174.941 192.932 199.726 6 98.578 107.098 107.846 7 19.811 20.727 1.960

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea

Administrador

Línea


De los gráficos y tablas anteriores se corrobora lo mencionado anteriormente, y además se puede

agregar que el sistema HDR es que mejor funciona en ambos sentidos, pero es mas notorio en el

sentido Y que X, además se puede observar que nuevamente como en los casos anteriores la

similitud de la forma del comportamiento entre el sistema HDR y el Mixto, pero este último en

la mayoría de los niveles se presenta más amplificado.

Para el caso del sistema FPS es el que presenta los mayores cortes basales en las direcciones,

sólo en el último nivel tiene un comportamiento particular en el cual presenta valores muy

pequeños de corte, pero dentro del contexto general es el sistema menos conveniente, además

que por la forma de la curva, ésta presenta varios puntos durante el registro donde el corte basal

adquiere valores mayores que son significativos respecto de los otros dos sistemas en estudio, y

que por lo demás estas zonas de máximos relativos a los que se hacia mención son mas

prolongados en el tiempo.

El sistema Mixto se encuentra en una en general en una situación intermedia entre los sistemas

HDR y FPS.

De acuerdo a lo expuesto en los puntos referentes a deformación del sistema de aislación,

deformaciones relativas, aceleración absoluta y corte basal de la estructura; y favoreciendo la

globalidad del comportamiento se decide por el sistema compuesto por aisladores del tipo HDR,

principalmente porque en todos los puntos de análisis presenta un buen comportamiento en las

dos direcciones; la deformación de los aisladores se encuentra bajos los niveles establecidos por

el SDI y el SMP lo que garantiza un buen comportamiento y desempeño del sistemas de

aislación en si; desde el punto de vista de los drift el sistema HDR también tiene algunos

beneficios sobre los otros dos sistemas, ya que es el que presenta lo menores valores o se

encuentra en un rango intermedio de acuerdo al nivel y la dirección de análisis, entregando un

comportamiento macro para este parámetro bastante beneficioso y aceptable, con lo cual se

disminuye notablemente los daños principalmente en los elementos estructurales; en lo referente

a las aceleraciones absolutas los tres sistemas entregan buenos valores, siendo los que presentan

un mejor comportamiento el sistemas HDR y el FPS, existiendo ciertas ventajas comparativas

para el sistema HDR ya que presenta las menores aceleraciones para la mayoría de los niveles y

una escasa variación entre ellos, esto se traduce en bajas aceleraciones relativas, lo que

contribuye a proteger los equipos y contenidos del edificio; finalmente para el análisis del corte

basal el sistema de aislación más ventajoso nuevamente resultó ser el sistema HDR, ya que

presenta el menor corte basal total en las dos direcciones de análisis y en general es el sistema

que entrega los menores y más estables valores de corte en la mayoría de los pisos del edificio

Vanguardia, lo que significa que los elementos soportantes estarán menos solicitados siendo

beneficioso el efecto para el edificio.

143


Por todo lo expuesto anteriormente se puede decir que los tres sistemas de aislación en estudio

cumplen con el objetivo de aislar la estructura, cada sistema tiene sus propias características y

formas de actuar generando beneficiosos efectos sobre los parámetros estudiados, la diferencia

entre los sistemas la marcaron detalles y la necesidad de ver el comportamiento y beneficios del

edificio Vanguardia bajo un marco global, siendo el sistema HDR el que mejor cumple con los

requerimientos y por eso es el elegido.

7.1.2.2 COMPARACIÓN DE COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURA

CONVENCIONAL VERSUS ESTRUCTURA AISLADA.

En el punto anterior de determinó que sistema de aislación entre los propuestos era el más

beneficioso para el edificio Vanguardia en particular, pero tan importante como determinar que

sistema de aislación es el adecuado de usar, es el hecho de poder comparar y cuantificar que tan

efectivo es el sistema y su efecto respecto al caso del mismo edificio pero visto en forma

convencional, es decir no aislado.

Al realizar el paralelo entre la estructura aislada y fija se podrá observar si implementar un

sistema de aislación para el caso particular en estudio es realmente ventajoso y produce

reducciones en los parámetros de análisis que cuantitativamente justifiquen la posible mayor

inversión, el mayor detalle necesario en el nivel de aislación y el mayor trabajo de ensayar e

implementar el sistema de aislación, pero que como resultado tengan un comportamiento más

óptimo del edificio aislado; además esta comparación nos permite hacernos una idea del nivel de

daños en que puede incursionar cada estructura desde el punto de vista de los elementos

estructurales como de los equipos y contenidos.

Para que el paralelo entre las estructuras sea valido fue necesario realizar un ADNL a la

estructura convencional, aplicando el registro de Melipilla, se aclara que esto sólo se hace para

poder ver la efectividad del sistema de aislación pero no para efectos de análisis y diseño de la

estructura no aislada, ya que esto ya fue realizada con las normativas correspondientes.

El análisis comparativo se realiza entre la estructura aislada con el sistema determinado en el

punto anterior, es decir el HDR, y la estructura convencional detallada, como parámetros de

contraste se utilizan los mismos que se usaron para definir que sistema de aislación era el más

adecuado, por las razones ya explicadas, el único parámetro que no se aplicó es el de

deformación del sistema de aislación debido a que este no existe en la estructura convencional,

sólo mencionándolo en el caso que sea necesario.

144


145

Respuesta Comparativa de Desplazamiento en X para Edificio Vanguardia, Registro Melipilla

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25

Deformación cm

Niv

el d

e Pi

so

Aislado (HDR) Base fija

7.1.2.2.1 DESPLAZAMIENTOS RELATIVOS DE LA ESTRUCTURA AISLADA Y

BASE FIJA.

Ya se mencionó la importancia de este parámetro de diseño, cuando se analizó para la

elección del sistema de aislación, por esto mismo realizar la comparación del comportamiento

entre la estructura aislada y la estructura convencional bajo el concepto de los desplazamientos

relativos permite extraer interesantes observaciones de la efectividad y poder cuantificarla.

En la figura 7.19 se muestra el perfil en altura de los desplazamientos máximos a nivel de cada

piso en ambas direcciones respecto de la fundación debido a la acción del registro de Melipilla:


146

Respuesta Comparativa de Desplazamiento en Y para Edificio Vanguardia, Registro Melipilla

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25

Deformación cm

Niv

el d

e Pi

so

Aislado (HDR) Base Fija

Fig. 7.19 Respuesta en altura de los desplazamientos máximos por nivel para la estructura

convencional y aislada con el registro Melipilla.

De la figura 7.19 se observa que en la estructura aislada el mayor desplazamiento ocurre en la

interfaz de aislación, permaneciendo los pisos superiores con pocas distorsiones en altura

prácticamente como si fuera un solo bloque.

El edificio sin aislación obviamente no presenta el nivel de desplazamiento respecto al suelo que

el aislado, pero se puede apreciar por la forma de la curva que los desplazamientos de los

diferentes niveles se van amplificando a medida que aumenta la altura, lo que es un

comportamiento típico de la estructuras convencionales, recordemos que de alguna manera esta

deformación de los elementos de cada nivel es la que permite disipar la energía que entrega el

sismo, lo cual en el caso del edificio aislado ocurre principalmente en el nivel de aislación con la

gran deformación que se produce en esa interfaz.

Para que quede más claro lo anterior compararemos el desplazamiento máximo de cada piso

respecto al nivel de fundación de cada estructura, pero a los desplazamientos de cada piso de la


147

Respuesta de Desplazamientos Maximos del Edificio Vanguardia en X, no considerando deformación del sistema de aislación

10.1005

9.6479

8.5929

7.0049

5.168

3.2849

1.5055

0.24280.2428

0

0.44584

0.39974

0.38804

0.38454

0.36454

0.35114

0.29934

0.253750.2538

0.00000

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15

Desplazamiento (cm)

Niv

el

Base Fija Aislado

estructura aislada se substrae el desplazamiento del sistema de aislación, estos se muestra en la

figura 7.20 en donde están las respectivas curvas de cada estructura y los valores de deformación

de cada nivel, según dirección. Se aprecia que el desplazamiento en el último piso de la

estructura aislada es de 0.446 cm. en la dirección X y de 1.287 cm. en la dirección Y, en cambio

para la estructura no aislada estos mismos valores son de 10.1 cm. y 7.88 cm. respectivamente lo

que significa una reducción del orden del 95 % y 82 % para cada caso, en el cuarto piso el

desplazamiento de la estructura aislada es de 0.345 cm. en X y de 0.353 cm. en Y; para la

estructura no aislada estos desplazamientos corresponden a 5.168 cm. y 3.710 cm., lo que es un

93 % y 90 % de reducción en cada caso.


148

Respuesta de Desplazamiento Maximos del Edificio Vanguardia en Y, no considerando deformación del sistema de aislación

7.8799

7.1009

6.0478

4.9227

3.7107

2.4614

1.2056

0.28330.2833

0

1.28720

0.47400

0.50180

0.42930

0.35290

0.22150

0.15680

0.104320.10432

0.000000

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8 10

Desplazamiento (cm)

Niv

el

Base Fija Aislado

Fig. 7.20 Desplazamientos máximos de cada nivel de la estructura aislada y base fija, no

considerando el desplazamiento del sistema de aislación para el caso del edificio aislado.

Con respecto a la estructura aislada por el nivel de desplazamiento que se producen en la interfaz

es necesario desarrollar detalles especiales para las conexiones de las instalaciones, esto se

soluciona con las conexiones flexibles, además hay que tener precauciones especiales con los

accesos y escaleras que crucen el sistema de aislación, estos detalles tienen soluciones

constructivas que no involucran grandes dificultades.

Ya visto el tema de los desplazamientos máximos respecto al nivel del suelo, se analiza

propiamente tal el aspecto de los desplazamientos relativos o drift, para ello se muestra en la

figura 7.21 la respuesta en el tiempo de los desplazamiento relativos en las dos direcciones de

análisis para cada nivel del edificio tanto aislado como de base fija, para poder evaluar

gráficamente la efectividad de la aislación y el nivel de reducción que presenta este parámetro, a

la vez en la tabla 7.9 se presentan los máximos desplazamientos relativos de la estructura no

aislada y el factor de reducción, el cual queda definido por la relación entre la respuesta de la

estructura de base fija y la estructura aislada, los valores de la estructura aislada no se presentan

en esta tabla ya que fueron expuesto en 7.1.2.1.2.


149

Fig. 7.21 Comparación de la Respuesta en el Tiempo de los Desplazamiento Relativos del

Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija.



Nivel Sub Nivel Sub


150


Tabla 7.9 Valores Máximos de los Drift del Edificio Vanguardia Base Fija, y los Respectivos

Factores de Reducción por Nivel Respecto al Edificio Aislado

Valores Máximos de Drift Edificio Base Fija en X y Factores de Reducción

Nivel Base Fija Factor Reducción (Rd) 1 0.38991 6.111 2 0.55666 24.202 3 0.58938 29.469 4 0.57813 52.557 5 0.51159 42.633 6 0.34972 31.793 7 0.19418 7.412

Valores Máximos de Drift Edificio Base Fija en Y y Factores de Reducción

Nivel Base Fija Factor Reducción (Rd) 1 0.28466 2.614

2 0.39244 17.063

3 0.39041 5.827

4 0.37875 15.781

5 0.35159 15.287

6 0.33119 3.450

7 0.79180 0.802

De los gráficos se puede observar el gran beneficio que entrega la aislación; ya que el edificio

que cuenta con el sistema de aislación reduce notablemente los desplazamientos relativos

respecto a su similar pero de base fija.

En cada nivel del edificio se puede apreciar que la disminución de los drift es bastante

importante, existe un acento más marcado en la dirección X de análisis en donde las reducciones

son mayores que las que ocurren en la dirección Y, de hecho la única excepción que ocurre es en

el último piso del edificio en la dirección Y en donde el edificio aislado entrega valores

levemente mayores de desplazamiento relativo que el de base fija, lo cual se puede deber a la

posición dentro del edificio de la sala de maquinas, y de la forma que tiene ya que cuando se

analizaron los tres sistemas de aislación todos ellos tendieron a presentar este efecto de aumento

de los drift, el cual se puede arreglar realizando pequeños cambios estructurales del ultimo piso

151


en ese sentido, pero de todas maneras es un efecto muy localizado y que no opaca el buen

desempeño global de la estructura aislada versus la de base fija.

En la tabla 7.9 se pueden apreciar numéricamente los valores de reducción que se obtienen, este

se calcula como la relación entre la respuesta de base fija y la respuesta del edificio aislado, es

decir Rd = RdF/Rd

A. Aplicando lo anterior tenemos que en la dirección X se tiene que el factor de

reducción mayor llega a un valor cercano a 50 y el menor valor de reducción es de 6.1, los

valores de acuerdo al nivel son variables, pero como valor característico de la reducción de la

respuesta en el sentido X se considera 7.4, es decir que al menos se reducen en 7 veces los drift;

en la dirección Y el mayor valor de reducción es de 17 y el menor es desfavorable tomando el

valor de 0.8, pero como valor característico de la reducción de la respuesta en el sentido Y se

considera 5.8, es decir que al menos se reducen casi 6 veces los drift; cabe recordar que lo

valores entregados son entre un análisis inelástico de las estructuras.

Finalmente desde el punto de vista de los desplazamientos relativos es indiscutible el beneficio

de realizar el edificio Vanguardia en forma aislada que convencional o de base fija, porque se

reducen de manera considerable los desplazamientos máximos respecto al nivel de aislación y

los valores de los drift, estos últimos muy relacionado con los daños estructurales que puede

sufrir el edificio, por lo que no está errado, tener los mismos valores de reducción de los drift

entre la estructura convencional y la aislada como referencia de la reducción de daños que

tendría la estructura aislada al someterla a un sismo severo, como es el caso del registro de

Melipilla, lo cual es una ventaja desde el punto de vista estructural, de seguridad y económico.

7.1.2.2.2 ACELERACION ABSOLUTA DE LA ESTRUCTURA AISLADA Y BASE

FIJA.

La comparación de la respuesta de las aceleraciones absolutas de la estructura aislada y

de base fija, entrega más antecedentes para formarse una opinión de las ventajas de implementar

un sistema de aislación, en este caso para la estructura en especial para los equipos y contenidos

de ella.

En la figura 7.22 se muestra el perfil en altura de las aceleraciones absolutas máximas a nivel de

cada piso en ambas direcciones debido a la acción del registro de Melipilla, y para que quede

más claro se señala el valor que alcanza la aceleración en cada nivel

152


153

Respuesta Comparativa de Aceleración Absoluta en X del Edificio Vanguardia Aislado Y Base Fija

0.6731

0.66270.0380

0.0378

0.0368

0.0357

0.0370

0.0383

0.0395

0.0404

0.67

0.640.64

0.63

0.83

0.91

0.94

1.04

1.24

1.40

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.5 1 1.5 2

Aceleración (g)

Niv

el d

e Pi

soHDR Base Fija

Respuesta Comparativa de Aceleración Absoluta en Y del Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija

0.6731

0.66960.0363

0.0359

0.0355

0.0356

0.0368

0.0379

0.0390

0.0403

0.66

0.630.63

0.64

0.85

1.13

1.39

1.60

1.88

1.95

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Aceleración (g)

Niv

el d

e Pi

so

Aislado Base Fija

Fig. 7.22 Respuesta del comportamiento de las aceleraciones absolutas en altura para el Edificio

Vanguardia Aislado y Base Fija, aplicado el Registro de Melipilla.


154

Con la información entregada en la figura 7.22 se puede decir que es notorio el efecto que genera

el sistema de aislación en el Edificio Vanguardia; las aceleraciones absolutas de la

superestructura del edificio aislado son mucho menores que las aceleraciones absolutas de la

estructura de base fija. Tenemos que la aceleración que llega a la base del edificio es del orden

de los 0.67g y el sistema de aislación en la dirección X lo reduce a 0.038g y en la dirección Y lo

reduce a 0.037g lo que significa que el sistema aislante filtra aproximadamente en 94 % la

aceleración que recibe la superestructura, luego sobre el sistema de aislación las aceleraciones en

la estructura aislada varían levemente, por lo que se mantiene o aumenta el nivel de reducción,

en esto se encuentra otras de las ventajas comparativas respecto de la estructura de base fija, ya

que en el caso aislado las amplificaciones en altura de las aceleraciones absolutas son de

pequeña magnitud, a diferencia de las amplificaciones que tiene la estructura convencional que

como en este caso llegan a ser superiores al doble de la aceleración del suelo.

Para complementar los antecedentes antes mencionados en la figura 7.23 se muestra la respuesta

de las aceleraciones en el tiempo para la estructura aislada y de base fija, para cada nivel y en las

dos direcciones de análisis, sólo con el objeto de hacer más claro se presenta la respuesta desde

el nivel del subterráneo hasta el último nivel del Edificio vanguardia, pasando por la interfaz de

aislación, para el caso de la estructura de base fija este nivel corresponde al nivel del cielo del

subterráneo, luego en la tabla 7.10 se presentan lo máximos valores para la aceleración absoluta

del edificio convencional y los factores de reducción que presenta la estructura aislada, los

valores de las aceleraciones absolutas del edificio aislado no se presentan en ésta tabla, porque

ya fueron mencionados en la sección 7.1.2.1.3:

Fig. 7.23 Comparación de la Respuesta en el Tiempo de las Aceleraciones Absolutas del

Edificio Vanguardia Aislado y Base Fija.



Nivel Sub Nivel Sub


155


156


Tabla 7.9 Valores Máximos de las Aceleraciones Absolutas del Edificio Vanguardia Base Fija,

y los Respectivos Factores de Reducción por Nivel Respecto al Edificio Aislado

Valores Máximos de Aceleración Absoluta Edificio Base Fija en X y Factores de Reducción

Nivel Base Fija Factor Reducción Ra 1 0.632 15.120 2 0.8285 20.356 3 0.9124 23.040 4 0.9376 22.431 5 1.0369 24.170 6 1.2429 28.248 7 1.3966 30.967

Valores Máximos de Aceleración Absoluta Edificio Base Fija en Y y Factores de Reducción

Nivel Base Fija Factor Reducción Ra 1 0.640 15.459 2 0.860 20.715 3 1.150 27.778 4 1.420 33.373 5 1.630 36.911 6 1.910 41.522 7 1.980 41.994

De lo expresado por los gráficos anteriores se puede ver el claro efecto que genera la

implementación del sistema de aislación, las aceleraciones absolutas se reducen notablemente en

todos los niveles del edifico y en las dos direcciones de análisis, en la primera fila de gráficos

están las aceleraciones del nivel del subterráneo, aquí se puede observar que los valores son

prácticamente idénticos de la estructura aislada como de la de base fija, luego en la segunda fila

de gráficos esta la interfaz de aislación que para el caso aislado corresponde al nivel de los

aisladores y para el edificio base fija corresponde nuevamente al cielo del subterráneo, en esto se

ve el efecto de filtro que tienen los aisladores absorbiendo aproximadamente 17 veces la

aceleración absoluta impuesta por el sismo a la estructura, luego de esto están las graficas de

cada piso en donde las aceleraciones absolutas del edifico aislado permanecen dentro de un

rango bien delimitado, mientras que las aceleraciones absolutas del edificio base fija incluso van

aumentando con la altura, lo que genera mayores diferencias entre las dos estructuras; en la tabla

7.9 se muestran los factores de reducción de el edificio aislado sobre el de base fija (Ra), en las

dos direcciones la reducción es importante, pero en la dirección Y se alcanzan mayores valores

para Ra, principalmente debido a que la estructura convencional presenta mayores

157


158

Respuesta Comparativa del Corte Basal del Edificio Vanguardia en X Aislado y Base Fija

0.16

4.68

0.66

0.46

0.27

0.13

0.09

0.11

0.08

0.02

4.76

4.22

3.90

1.34

2.36

3.19

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Corte Basal (Ton)

Niv

el

Aislado Base Fija

que sea más fácil de interpretar se señalan los valores máximos de corte por nivel.

amplificaciones en altura que en la dirección X, ya que las aceleraciones de la estructura aislada

en las dos direcciones son bastante similares con valores máximos cercanos a los 0.040g (en el

último nivel); se considera que un valor característico para los factores de reducción de las

aceleraciones es de 15 tanto en la dirección X como Y, es decir que se reducen en al menos 15

veces las aceleraciones en la estructura aislada.

Con los antecedentes mencionados se puede afirmar que desde el punto de vista de las

aceleraciones absolutas el edifico Vanguardia implementado con el sistema de aislación tiene un

mejor comportamiento que el mismo pero de base fija, el hecho de reducir de manera importante

las aceleraciones absolutas se traduce en una reducción de los daños de la estructura misma y

principalmente de los equipos y contenidos, además el hecho de que la distribución de las

aceleraciones en altura resulte casi uniforme favorece la reducción de los momentos volcantes en

especial de los pisos bajos [22].

7.1.2.2.3 CORTE BASAL DE LA ESTRUCTURA AISLADA Y BASE FIJA.

Un parámetro que no puede faltar para evaluar la efectividad de implementar el sistema

de aislación es la respuesta que tiene el corte basal y su distribución en altura, debido a que

representa el nivel de esfuerzos al que esta sometido la estructura.

En la figura 7.24 se muestra el comportamiento que tiene el corte basal y su distribución en

altura en el edificio Vanguardia aislado y de base fija en las dos direcciones de análisis, y para

(X 1000)


159

Respuesta Comparativa de Corte Basal del Edificio Vanguardia en Y Aislado y Base Fija

0.67

0.57

0.47

0.36

0.27

0.17

0.10

0.02

8.88

0.29

2.30

4.25

5.60

7.15

8.23

8.64

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4

Corte Basa

5 6 7 8 9

l (Ton)

Niv

el

Aislado Base Fija

Fig. 7.24 Respuesta del comportamiento de los esfuerzos de corte para el Edificio Vanguardia

Aislado y Base Fija, aplicado el Registro de Melipilla.

De la figura 7.24 se puede ver el efecto de implementar el sistema de aislación basal en el

edificio, se reduce de manera considerable el corte basal respecto al edificio de base fija. El corte

basal que presenta la estructura de base fija es de un valor considerable tanto en X como en Y lo

que refleja que le registro de Melipilla genera una alta exigencia de este parámetro en la

estructura; luego su distribución en altura presenta una forma típica de una estructura

convencional de las dimensiones y altura del edificio Vanguardia. Como se había mencionado la

estructura aislada reduce notablemente el corte basal total, de hecho la estructura de base fija

presenta valores de 4.76 ton (por mil) en la dirección X y de 8.88 ton (por mil) en la dirección Y,

versus la estructura aislada con 0.66 ton (por mil) y 0.67 ton (por mil) respectivamente, que

significa una reducción del orden de 84 % y 90 % respectivamente, permitiendo de esta manera

una importante disminución en los esfuerzos de los elementos soportantes de la estructura, el

nivel de reducción del esfuerzo de corte se mantiene en altura, sobre el 80 %, por lo cual en

cada nivel del edificio aislado los elementos estructurales se encuentran con menos demanda que

su similar de base fija. En la figura 7.25 se presenta la respuesta en el tiempo de los esfuerzos de

corte para cada nivel del edificio Vanguardia caso aislado y de base fija, para las dos direcciones

de análisis, obviamente la primera fila de gráficos representa el corte basal total, además en la

(X 1000)


160

tabla, luego en la tabla 7.10 están los valores máximos del esfuerzo de corte y los factores de

reducción de la estructura aislada, los valores de los esfuerzos de corte de la estructura aislada no

se presentan en esta tabla, porque se encuentran en la sección 7.1.2.1.4:

Fig. 7.25 Comparación de la Respuesta en el Tiempo del esfuerzo de Corte del Edificio

Vanguardia Aislado y Base Fija.



Nivel Sub Nivel Sub


161


162

A continuación se presenta la tabla 7.10

Tabla 7.10 Valores Máximos de los Esfuerzos de Corte del Edificio Vanguardia Base Fija, y los

Respectivos Factores de Reducción por Nivel Respecto al Edificio Aislado.

Valores Máximos de Esfuerzo de Corte Edificio Base Fija en X y Factores de Reducción

Nivel HDR Factor Reducción Rc Sub 4758.343 7.155

1 4680.705 10.066 2 4220.009 15.572 3 3900.865 29.111 4 3194.836 34.726 5 2353.227 21.393 6 1335.038 13.350 7 158.298 6.596

Valores Máximos de Esfuerzo de Corte Edificio Base Fija en Y y Factores de Reducción

Nivel HDR Factor Reducción Rc Sub 8882.903 13.258

1 8638.458 15.155 2 8234.466 17.520 3 7150.980 19.809 4 5595.004 20.495 5 4252.867 24.027 6 2299.970 22.772 7 288.321 13.730


Con todo lo expuesto se puede afirmar que la respuesta que presenta el edificio Vanguardia con

el sistema de aislación es mucho más ventajosa que su similar de base fija desde el punto de

vista de los esfuerzos de corte, ya que se produce una importante reducción de este parámetro, lo

cual ocurre tanto con el corte basal total, como con los esfuerzos de corte en cada nivel del

edificio en las dos direcciones de análisis como se puede apreciar claramente en la figura 7.25.

Los factores de reducción de esfuerzo de corte (Rc ) que presenta la estructura aislada respecto a

la de base fija se pueden ver en la tabla 7.10, los factores de reducción en la dirección X van

desde 6.5 a 34 dependiendo del nivel, pero como valor característico de Rc se considera el que

refleja la diferencia entre los cortes basales totales, el cual es 7.15, es decir una reducción de más

de 7 veces en esta dirección; en tanto en la dirección Y los valores de Rc van desde 13.2 hasta

24 dependiendo del nivel, se considera el mismo criterio para considerar el valor característico el

cual es 13.2, es decir una reducción de más de 13 veces; en la dirección Y se produce una mayor

capacidad de reducción principalmente debido a que la estructura de base fija presenta un mayor

corte basal total en esta dirección.

Por todo lo anterior es indiscutible que en el comportamiento de los esfuerzos de corte la

estructura aislada tiene importantes ventajas sobre la misma pero de base fija, con la importante

reducción que se produce el edificio tiene una mayor protección y menores costos por daños, ya

que los elementos estructurales están menos solicitados manteniéndose en el rango elástico,

además la reducción de la demanda de esfuerzos permite si se desea disminuir las secciones de

los elementos y sus armaduras con la consecuente disminución de los costos por este motivo, en

este trabajo se considera principalmente lo segundo, la mayoría de las secciones se mantienen

principalmente por razones arquitectónicas.

Después de haber realizado el análisis comparativo de respuesta entre el edificio Vanguardia

Aislado con el sistema HDR y el edificio Vanguardia base fija, considerando como puntos de

estudio los principales parámetros que representan el comportamiento de una estructura, sin

excluir con esto la posibilidad de realizar más estudios con otros parámetros que sean de interés,

se puede concluir que desde todo punto de vista implementar un sistema de aislación,

específicamente los aisladores HDR en el Edificio Vanguardia, es enormemente beneficioso; se

logra disminuir la demanda sísmica, controlando los inconvenientes que genera el sismo

estudiado para el caso tradicional o de base fija, los niveles de desplazamiento relativo se

disminuyen en más de 5 veces, las altas aceleraciones se reducen en 15 veces y los esfuerzo de

corte en más de 7 veces; lo que se traduce en un mejor comportamiento sísmico y un alto nivel

de seguridad estructural durante un sismo como el estudiado, de aproximadamente 8 veces

mayor que considerando el edificio convencional, ya que se minimizan los daños de la estructura

misma, de sus contenidos y se mantiene la serviciabilidad post-sismo.

163


164

Espectro Diseño Edificio Vanguardia

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Periodo (seg)

Pseu

doA

cele

raci

ón (c

m/s/

s)

Espectro NCh 2745 Espectro NCh 2745 Reducido

Espectro NCh 433 Espectro NCH 433 Reducido

7.2 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA AISLADA.

En esta sección se presenta el diseño del edificio Vanguardia implementado con un

sistema de aislación, específicamente el sistema conformado por aisladores HDR que fue el

escogido anteriormente. Para realizar el diseño se utiliza la norma NCh 1745 Of 2003 la cual

entrega las disposiciones para el diseño sísmico de edificios que cuenten con aislación sísmica,

esta normativa de diseño convierte a Chile en uno de los pocos países a nivel mundial que

poseen requisitos y consideraciones para la estructuras con aislación basal.

La mayoría de las consideraciones necesaria para realizar el diseño ya se encuentran

mencionadas tanto en la sección en donde se eligió el sistema aislante como donde se realizó la

comparación de comportamiento entre la estructura aislada y convencional, ante lo cual para no

ser reiterativo sólo se mencionaran y se entregará su ubicación; para todo el resto de

consideraciones o factores que sean necesarios se explicarán en esta sección.

Para efectos de diseño se consideraron las mismas combinaciones de carga que se utilizaron en

el diseño de la estructura convencional, que por lo demás son las que estipula el ACI318-02,

pero para el caso aislado se utiliza como carga sísmica el espectro establecido en la NCh 2745,

todos los parámetro necesarios para establecer el espectro, ya sea zona sísmica, tipo de suelo y

otros, ya fueron definidos o mencionados; la figura 7.26 tiene como objetivo mostrar el espectro

que establece la norma 2745 para las características particulares de nuestro caso, y a modo de ver

las diferencias conceptualmente que genera este nueva forma de enfocar el diseño sísmico esta el

espectro dado por la NCh 433 para nuestro caso.

Fig. 7.26 Espectro definido por la NCh 2745 para el Diseño de Estructuras Aisladas, caso

Particular Edificio Vanguardia.


165

on

maxb DV K D= D

1.01*25.16*27bV =

686.11 .bV t=

maxD Ds

K DVR

=

686.112sV =

343 .sV ton=

Del gráfico anterior se puede apreciar que con el espectro de la norma 433 y el período de la

estructura convencional tenemos una pseudo-aceleración cercana a los 116 cm/s/s, en cambio

con el espectro de la norma 2745 y el período de la estructura aislada este valor corresponde a 62

cm/s/s, lo que significa una reducción de aproximadamente 45 %.

Con respecto a los periodos de la estructura aislada, estos se presentaron en la sección 7.1.2 con

sus respectivos esquemas, en relación al corte basal se presenta los resultados obtenidos del

análisis espectral en la tabla 7.11:

Tabla 7.11 Resultado del esfuerzo de Corte para Análisis Espectral del Edificio Vanguardia.

Esfuerzos Cortantes por Nivel

Nivel Dirección X (Ton) Dirección Y (Ton) 8 7.047 6.483105 7 69.490845 58.435965 6 142.09938 120.670425 5 214.139835 193.04433 4 286.049205 258.605055 3 359.78472 339.08355 2 434.562165 438.782805 1 498.667725 474.661485

Las fuerzas sísmicas laterales mínimas establecidas en la NCh 2745 son las siguientes Vb que

corresponde a la fuerza lateral mínima para el sistema de aislación y todos los elementos que se

encuentran bajo el sistema, en nuestro caso esto es importante debido a que los aisladores se

ubican en el cielo del subterráneo y Vs que corresponde a todos los elementos estructurales que

se encuentran sobre el sistema de aislación, para nuestro caso tenemos:

(Ec. 7.1)

(Ec. 7.2)


Como en nuestro caso se realizó una análisis dinámico se permite reducir en un 10 % el valor de

Vb con lo cual el valor definitivo es 617.5 ton, para el caso del valor de Vs este permanece igual,

además éste valor supera los limites del corte mínimo establecido por la NCh 433 que sería de

353.96 ton y también el valor de corte que entregaría con el periodo aislado que es de 65 ton. Al

comparar estos valores mínimos con los presentados en la tabla 7.11 se puede ver que el corte de

diseño entregado en el primer nivel por el análisis espectral es un poco menor que el mínimo

establecido por la norma ante lo cual los esfuerzos de diseño de los elementos pertenecientes a

este nivel se escalan para respetar el valor mínimo establecido, lo cual sólo ocurre en este nivel

ya que el valor del corte de diseño de la superestructura entregado por el análisis espectral es

levemente mayor que el mínimo establecido. Para los desplazamientos relativos de entrepiso o

drift se utiliza los cálculos hechos con anterioridad y en esta parte sólo se corrobora que se

encuentren dentro de los rangos establecidos por la norma 2745, esto se muestra en la tabla 7.12:

Tabla 7.12 Desplazamientos de entrepisos para el Edificio Vanguardia y Limites.

Valores de Drift Máximos por Piso

Nivel Altura (mt) Drift X Condición Drift Y Condición 1 2.51 0.000638 O.K 0.001089 O.K 2 3.2 0.000225 O.K 0.000225 O.K 3 3.2 0.0002 O.K 0.000663 O.K 4 3.2 0.000102 O.K 0.000237 O.K 5 3.2 0.000115 O.K 0.000222 O.K 6 3.2 0.000103 O.K 0.000954 O.K 7 3.24 0.000262 O.K 0.001143 O.K

Ya establecidos las verificaciones necesarias se procede a mostrar un resumen del diseño

realizado al edifico Vanguardia según análisis espectral establecido en la norma 2745, en lo que

se denomino tabla 7.13 están los esfuerzos obtenidos en los elementos estructurales de cada nivel

y en lo que se llamo tabla 7.14 están las cuantías de acero de los elementos representativos de

cada nivel con las respectivas armaduras propuestas.

166


Grupo Tabla 7.13 Resultados de Esfuerzos de los Elementos Estructurales para el Edificio

Vanguardia según Nivel con Análisis Espectral de la NCh 2745.


Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/60 -307.3174 -24.359592 -19.630224 P60/80 -333.2846 -5.26203 46.120575 P60/90 -185.6454 -3.52192 -5.46074


Elemento Vmax M33max (Ton) (Ton-m)

V20/100 2.6149 -3.39458 V40/60 8.7673 17.88106 V20/70 1.2321 -1.06743 V25/70 -4.289 -4.51873 V40/40 11.2848 -10.60961




Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/40 2.7216 0.25779 0.2353 P60/60 -244.5697 10.13911 -15.36794 P60/90 -224.9861 21.98631 20.810118

167




Especial -12.7262 -31.24976 V.S.I20/110 -8.1946 -16.888005 V.S.I20/152 -11.9806 20.35237 V.S.I20/160 5.7907 -10.81613 V.S.I20/170 -11.2021 -26.75587 V.S.I20/220 18.5184 -25.08786 V.S.I25/170 28.7074 -36.66727 V.S.I25/220 22.59264 35.914488

V20/60 -3.5575 -4.90306 V20/70 -5.63248 8.51767 V25/52 -5.1126 -6.17123 V25/70 14.9254 18.91684 V40/52 -6.8299 -7.34475 V40/60 -6.0283 -11.70902 V40/70 -18.17 -35.81318 V40/87 12.3006 -15.19432 V60/60 -1.89 -1.4175




Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/40 -6.2384 14.63086 -2.1473 P60/60 -203.4028 7.24585 14.47517 P60/90 -176.0794 -13.94429 -13.186



V.S.I20/170 -17.3849 32.15226 V.S.I20/220 -11.7077 -20.75713 V.S.I25/170 15.5462 16.81581 V.S.I25/220 30.4048 48.05765

V20/70 -2.8946 -6.52823 V25/52 -3.1122 -3.16785 V40/52 -3.59 -7.64211 V40/70 -18.0247 -34.08607

168





Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/40 -8.0655 -11.12614 -1.41367 P60/60 -161.8233 7.04773 10.62306 P60/90 -143.6425 -13.13397 -9.71505



V.S.I20/170 -13.6601 -25.15625 V.S.I20/220 10.4535 17.91515 V.S.I25/170 27.5024 44.49956 V.S.I25/220 25.4399 32.35629

V20/70 -1.5309 -3.55314 V25/52 -2.1273 -3.21205 V40/52 -3.5587 -8.1029 V40/70 -16.2118 -31.34529




Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/40 -6.97 -10.59609 -1.49125 P60/60 -121.1298 -6.61576 -10.00622 P60/90 -114.7171 -11.81526 -9.49845



V.S.I20/170 -12.1891 26.86483 V.S.I20/220 8.5015 13.66244 V.S.I25/170 -6.1378 -12.16401 V.S.I25/220 13.1832 17.96897

V20/70 2.1246 -4.10874 V25/52 -1.9024 -3.31965 V40/52 -3.5548 -8.5726 V40/70 -15.056 -29.96578

169





Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/40 10.4002 10.87736 1.45265 P60/60 -80.6041 -5.77649 -9.42117 P60/90 -89.0516 -10.72784 -10.10501



V.I20/112 -8.4538 -11.57562 V.S.I20/170 -11.3353 -20.78091 V.S.I20/220 4.6653 6.46505 V.S.I25/170 -5.2123 -9.16859

V20/70 -4.3503 -8.18667 V25/52 -1.9192 -3.45327 V25/70 -4.7686 -9.05495 V40/52 -3.5624 -7.92431 V40/70 -14.3324 -29.78334




Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/40 17.6259 9.9623 2.58335 P60/60 -44.8765 -8.43322 -10.02525 P60/90 -66.1724 15.5484 18.95971

170




Viga Especial 22.3043 35.90053 V.I20/112 2.513 -4.32611 V.I20/52 2.4933 -3.95086 V.I60/52 -14.4508 -26.03973

V.S.I20/110 -5.1131 -11.21067 V.S.I20/170 -8.3456 -12.4519 V.S.I20/220 3.3733 -2.71274 V.S.I25/110 4.9351 -11.57549 V.S.I40/110 25.8037 44.71232

V20/70 -5.0632 -8.03341 V25/52 -2.1185 -3.86407 V40/52 -4.8094 -7.17437




Elemento Pmax (Ton) M22max (Ton-m) M33max (Ton-m) P60/60 11.7175 0.96799 -7.03407



V.I20/52 -1.544 -2.54978 V.S.I20/100 -1.7083 -3.0784

V25/52 -2.1757 -2.7193


Elemento N (Ton) V (Ton) M (T-m) Muro 25 21.0778 10.3367 10.22844

171


Grupo Tabla 7.14 Resultados de Cuantías de los Elementos Estructurales para el Edificio

Vanguardia según Nivel con Análisis Espectral de la NCh 2745 y sus Correspondientes

Armaduras.



P60/60 44.3613 7.5 8 φ 28 φ 10 @ 20 P60/80 63.8792 22.518 8 φ 32 φ 12 @ 18 P60/90 54 Min 7 φ 32 φ 10 @ 20



V20/100 1.33 0.9 Min 2 φ10 2 φ10 φ 10 @ 25 V40/60 9.37 7.97 1.42 4 φ 18 4 φ 16 φ 10 @ 25 V20/70 0.6 0.41 Min 2 φ10 2 φ10 φ 10 @ 25 V25/70 2.55 2.57 Min 3 φ12 3 φ 12 φ 10 @ 25 V40/40 7.84 0.68 4.1 4 φ 16 2 φ 10 φ 10 @ 20



Muro 60 49.83 6 φ 32 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 20 15.05 4 φ 22 0.050 0.050 φ 12 @20 φ 12 @20



P60/60 36 Min 8 φ 25 φ 10 @ 20 P60/40 24 Min 5 φ 25 φ 10 @ 20 P60/90 54 Min 7 φ 32 φ 10 @ 20

172




V.S.I20/110 6.6 3.37 2.5 4 φ16 3 φ12 φ 10 @ 20 V.S.I20/152 5 5.29 2.5 2 φ 18 3 φ 16 φ 10 @ 20 V.S.I20/160 2.65 1.32 Min 3 φ12 2 φ10 φ 10 @ 25 V.S.I20/170 6.23 4.81 2.5 4 φ 16 2 φ 18 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 4.48 4.07 2.5 4 φ 16 2 φ 10 φ 10 @ 20 V.S.I25/170 8.54 7.23 3.13 4 φ 18 3 φ 18 φ 10 @ 20 V.S.I25/220 5.2 10.77 3.13 3 φ 16 4 φ 18 φ 10 @ 20

V20/60 3.25 3.07 Min 3 φ12 3 φ12 φ 10 @ 25 V20/70 5.19 5.28 2.5 3 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20 V25/52 3.9 3.9 3.13 4 φ12 4 φ12 φ 10 @ 20 V25/70 7.52 8.29 3.33 3 φ 18 4 φ 18 φ 10 @ 20 V40/52 5.62 4.41 1.84 3 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20 V40/60 7.2 6.65 5 3 φ 18 3 φ 18 φ 10 @ 20 V40/70 14.582 12.09 5 4 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20 V40/87 6.92 5.58 1.31 3 φ 18 3 φ 18 φ 10 @ 20 V60/60 0.92 0.46 Min 2 φ10 2 φ10 φ 10 @ 25



Muro 60 29 6 φ 25 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 20 37.14 8 φ 25 0.050 0.050 φ 10 @20 φ 10 @20






V.S.I20/170 6.41 7.5 2.5 4 φ 16 4 φ 16 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 3.7 3.11 Min 4 φ 12 4 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I25/170 4.18 3.89 3.13 4 φ 12 4 φ 12 φ 12 @ 20 V.S.I25/220 4.07 8.62 3.13 4 φ 12 4 φ 18 φ 10 @ 20

V20/70 3.71 1.84 Min 4 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V25/52 2.41 1.68 Min 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V40/52 5.86 2.9 Min 3 φ 16 3 φ 12 φ 10 @ 20 V40/70 15.04 12.05 5 4 φ 25 4 φ 22 φ 10 @ 20

173




Muro 60 26.4 6 φ 25 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 20 38.01 8 φ 25 0.050 0.050 φ 10 @20 φ 10 @20






V.S.I20/170 5.85 6.2 2.5 3 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 2.23 3.19 Min 2 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I25/170 3.27 2.72 Min 3 φ 12 3 φ 12 φ 12 @ 20 V.S.I25/220 3.4 7.98 3.13 4 φ 12 4 φ 18 φ 10 @ 20

V20/70 2 1 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V25/52 2.44 1.43 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V40/52 6.22 3.07 Min 3 φ 18 3 φ 12 φ 10 @ 20 V40/70 13.77 11.11 5 4 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20



Muro 60 16.92 8 φ 32 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 25 39.1 8 φ 25 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20




174




V.S.I20/170 4.74 6.25 2.5 3 φ 16 3 φ 18 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 1.97 2.43 Min 2 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I25/170 2.81 1.43 Min 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I25/220 1.75 3.2 Min 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

V20/70 2.32 1.15 Min 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V25/52 2.53 1.47 Min 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V40/52 6.24 3.25 Min 3 φ 18 3 φ 12 φ 10 @ 20 V40/70 13.13 10.52 5 4 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20



Muro 60 13.78 4 φ 22 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 25 26.07 6 φ 25 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20






V.I20/112 4.09 2.5 2.5 4 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I20/170 4.82 4.81 2.5 3φ 16 3φ 16 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 0.71 1.15 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I25/170 2.11 1.05 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

V20/70 4.2 2.31 2.5 4 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V25/52 2.63 1.47 Min 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V25/70 5.16 2.55 Min 3 φ 16 3 φ 12 φ 10 @ 20 V40/52 5.8976 3.01 Min 3 φ 16 3 φ 12 φ 10 @ 20 V40/70 13.05 9.92 5 4 φ 22 4 φ 18 φ 10 @ 20

175




Muro 60 10.86 6 φ 16 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 25 16.46 6 φ 18 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20






Viga Especial 15.6 15.6 8.13 5 φ 22 5 φ 22 φ 12 @ 20 V.I20/112 1.51 0.76 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V.I20/52 3.03 1.82 2.5 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V.I60/52 14.48 9.44 7.5 4 φ 22 4 φ 18 φ 12 @ 20

V.S.I20/110 4.03 2.89 Min 2 φ 18 3 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I20/170 2.88 2.82 Min 3 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I20/220 0.48 0.42 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I25/110 4.15 2.06 Min 4 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I40/110 13.2 13.2 5 4 φ 22 4 φ 22 φ 10 @ 20

V20/70 4.2 2.27 2.5 4 φ 12 3 φ 12 φ 10 @ 20 V25/52 2.95 1.54 3.13 3 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V40/52 5.49 4.3 5 3 φ 16 3 φ 16 φ 10 @ 20



Muro 60 7.22 4 φ 16 0.150 0.150 φ 12 @15 φ 12 @15 Muro 25 7.55 4 φ 16 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20



P60/60 36 Min 8 φ 25 φ 10 @ 20

176




V.I20/52 1.94 1 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20 V.S.I20/100 1.21 0.6 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20

V25/52 2.06 1.13 Min 2 φ 12 2 φ 12 φ 10 @ 20



Muro 25 3.29 4 φ 16 0.063 0.063 φ 10 @20 φ 10 @20

De los resultados de las cuantías y armaduras presentados para el caso del edificio Vanguardia

aislado se puede apreciar con respecto a las presentadas para el caso convencional, que las

únicas armaduras que aumentan levemente son las del nivel del subterráneo, en particular los

pilares, esto debido principalmente a los elementos adicionales de hormigón necesarios los

cuales aumentan la carga axial, además en una estructura aislada los elementos que se

encuentran bajo el sistema de aislación deben garantizar su estabilidad por su importante

influencia sobre la estabilidad total, el resto de las armaduras de todos los demás niveles tanto de

muros y vigas presenta disminuciones interesantes, lo cual demuestra le menor nivel de

exigencia que tienen, logrando ventajas constructivas como ser las menores congestiones en

especial en los encuentros de vigas y pilares, y además menores costos debido a que se necesita

menos cantidades y diámetros de enfierradura como también la mano de obra que ello conlleva;

al cuantificar la disminución de las cuantías necesarias en el edificio general se tiene que esta

baja entre un 25 % y 30% en el edificio aislado respecto a su similar convencional.

Un aspecto importante de mencionar es que lo pilares de los niveles sobre el sistema de aislación

en su gran mayoría presentan la cuantía mínima que exige el código ACI318-02 (que

corresponde al 0.01% de la sección del pilar), y a pesar que en la estructura convencional en

menor grado también ocurría lo mismo, ahora se tiene mayor seguridad del comportamiento y de

la disminución de los esfuerzos como de los drift de la estructura, por lo cual se presenta como

opción de diseño disminuir las secciones de los pilares que se encuentran sobre el sistema de

aislación en aproximadamente un 20 %, lo que se traduce en que las secciones de 60x60 ahora

serán de 54x54, que las de 60x40 se consideraran de 55x35 y finalmente que las secciones de

60x90 serán de 52x85.

En la tabla 7.15 se presentan los resultados para los nuevos pilares, en los cuales todavía se

puede apreciar que los pilares presentan cuantías mínimas, pero se cree que la disminución del

20 % es razonable tanto desde el punto de vista del beneficioso económico por la nueva

177


reducción en armadura y ahora también en hormigón, como de la seguridad por el margen de

capacidad que presentan los pilares, los cuales son fundamentales para la estabilidad.

Grupo Tabla 7.15 Resultados de Cuantías para Pilares Reducidos su sección en un 20% del

Edificio Vanguardia según Nivel con Análisis Espectral de la NCh 2745 y sus Correspondientes

Armaduras.



P54/54 29.16 Min 6 φ 25 φ 10 @ 20 P55/35 19.25 Min 4 φ 25 φ 10 @ 20 P52/85 44.2 Min 6 φ 32 φ 10 @ 20










178










P54/54 29.16 Min 6 φ 25 φ 10 @ 20

Finalmente el diseño del edificio Vanguardia aislado que se considera como el definitivo

presenta como principales características una menor demanda de esfuerzos sobre los elementos

resistentes de la estructura, ante lo cual las vigas y muros necesitan menos cuantías de acero

respecto al edificio Vanguardia base fija, resistiendo con márgenes de seguridad importantes los

esfuerzos y presentando menores daños debido a la disminución de la deformación relativa de

entrepisos y las aceleraciones, con respecto a los pilares se adopta una reducción de las secciones

originales del 20% en aquellos elementos que se encuentren sobre el sistema de aislación, con

ello se logra una disminución del hormigón necesario y una reducción de las cuantías de acero,

incluso se podría plantear mayores valores de reducción, pero en este estudio se considera que es

un valor balanceado entre los aspectos económicos como de seguridad. Las reducciones en las

cuantías de acero son del orden del 30% menos que su similar convencional y las reducciones de

hormigón ayudan a contrarrestar el hormigón adicional utilizado en los elementos adicionales

propios del sistema de aislación.

En cuanto al diseño hay que tener ciertas consideraciones y precauciones con los elementos

anexos al sistema de aislación, una especial atención debe tener las conexiones flexibles, las

cuales de deben implementar con un tramo adicional que sea igual o superior al desplazamiento

establecido para el sismo máximo posible.

179

180

C A P I T U L O VIII

ESTUDIO COMPARATIVO DE COSTOS

DEL EDIFICIO VANGUARDIA


Las graves consecuencias económicas que genera un sismo de gran magnitud se

presentaron en la sección 1.1.2 en donde se puede apreciar que las pérdidas económicas son

considerables y enormemente perjudiciales, la mayoría de estas pérdidas son producto de la

destrucción y daños del medio construido, además de los costos por reparación y paralización

post-sismo que pueden ascender a cifras de consideración.

En este capitulo se analizan los costos que significa construir el Edificio Vanguardia en forma

convencional y su similar aislado, al querer evaluar el costo global que significa una estructura

aislada y poder realizar la comparación con la misma de base fija, para analizar posibles ventajas

comparativas, hay que tomar en cuenta variados parámetros, muchos de ellos difíciles de evaluar

debido a sus características poco tangibles. Los principales indicadores a considerar son el costo

del edificio propiamente tal (materiales, mano de obra, etc.) tanto para el caso aislado como el de

base fija; el costo del sistema aislante que debe incluir aspectos como los aisladores, anclajes,

conexiones flexibles, pedestales, esto obviamente solo se considera en el edificio aislado;

adicionalmente se deben considerar costos indirectos como ser los costos de reparación por

daños estructurales y no estructurales luego de un movimiento sísmico severo, daños materiales

al contenido del edificio, la serviciabilidad inmediatamente después de un sismo; estos últimos

aspectos son principalmente para el edificio convencional, ya que el edificio aislado se comporta

esencialmente en el rango elástico y finalmente un ítem difícil de cuantificar pero no por ello

menos importante, el daño sicológico y físico de las personas que ocupaban el edificio durante

un sismo. En este estudio se consideran para el análisis comparativo los costos directos para el

edifico Vanguardia aislado como convencional y además se abarcan a grandes rasgos los costos

indirectos, se incluye esto último debido a que no es muy común considerarlo en las

evaluaciones que se realizan para ver que ventajas podría tener concebir la estructura con un

sistema de aislación, siendo necesario si es que se quiere formar un criterio correcto de los costos

que en algún momento de la vida útil del edificio, este tendrá que afrontar. Además un aspecto

que tampoco es común considerar y que no deja de ser menor son las variaciones de los

elementos estructurales entre el diseño convencional y de la estructura aislada, por lo general no

se considera al momento de diseñar las reducciones de esfuerzos que se producen en los

diferentes niveles, adoptando las mismas secciones y armaduras que tendría para los esfuerzos

de la estructura convencional, esto se produce en la mayoría de los países debido a actitudes

conservadoras y a la no existencia de códigos de diseño específicos para estructuras aisladas, en

nuestro país con la reciente promulgación y aplicación de la norma NCh 2745 se espera que

exista un mejor aprovechamiento constructivo y económico que ofrece la aislación, en especial

su influencia en los costos directos que esto puede tener. Por lo expuesto anteriormente las

estructuras aisladas tienen por lo general un costo directo mayor que las estructuras

convencionales, que según el tipo de dispositivo, el tipo de edificación y el diseño utilizado

puede ser entre un 1% y un 10% adicional. En Chile tenemos la experiencia del edificio de la

Comunidad Andalucía el cual fue construido en 1992 y significó un costo adicional de

aproximadamente el 5%, el Hospital Clínico UC significo una inversión el año 2001 de

aproximadamente US$ 115/m2 y el año 2002 la construcción del Edificio de la Facultad de

Ingeniería de la Universidad Católica significó US$ 125/m2 [5], valores que son levemente

superiores que su similar convencional. Existen países como Japón o China que reducen los

costos directos debido a que consideran los esfuerzos reales que tiene la estructura aislada, como

ejemplo tenemos un edificio en base a marcos de 8 pisos construido en la cuidad de Shantou (Sur

de China) en donde el costo del edificio convencional fue de US$ 807/m2 y el caso aislado de

US$ 715/m2, lo que significa una reducción del 11% para el caso aislado, otro edificio de 6 pisos

a base de muros ubicado en la ciudad de Xichang (Oeste de China) involucro un costo de US$

650/m2 el caso convencional y su similar aislado un costo de US$ 527/m2, que corresponde a una

reducción del 19% para el caso aislado [4].

Con los antecedentes recopilados se puede formar la idea que los costos directos en una

estructura aislada son un poco mayores que si se considera en forma convencional, pero que de

todas maneras el incremento del costo es pequeño, y que inclusive al utilizar un diseño menos

conservador se puede igualar o disminuir los costos de una estructura aislada versus la de base

fija; en cuanto a los costos indirectos los beneficios que presenta la estructura aislada son

considerablemente superiores a la de la estructura aislada.

En las siguientes secciones se analiza los costos para el caso particular del Edificio Vanguardia

convencional como aislado.

8.2 ESTIMACIÓN DE COSTOS TOTALES DEL EDIFICIO VANGUARDIA

CONVENCIONAL VERSUS EDIFICIO VANGUARDIA AISLADO.

Lo que se presenta a continuación son los resultados obtenidos en este estudio para los

costos directos e indirectos que presenta el edificio Vanguardia convencional como aislada,

181

realizando un paralelo entre estas dos condiciones para ver algunas ventajas económicas

comparativas que pudiese tener una estructura sobre la otra. Se realiza los costos directos

separados de los indirectos para generar una mayor claridad y ver la influencia de cada uno sobre

el costo total, el cual se presenta al final del capitulo.

8.2.1 ESTIMACIÓN DE COSTOS DIRECTOS DEL EDIFICIO VANGUARDIA


Para evaluar los costos directos se realizó las cubicaciones de los dos tipos de estructura,

estas cubicaciones se ejecutan siguiendo las disposiciones de la norma NCh 353 Of2000, y

contemplan sólo la obra gruesa, no incluyendo los costos de arquitectura, ingeniería básica y

arquitectura por considerar que no existen diferencias significativas en estos valores entre los dos

proyectos. Para la evaluación de los costos del edificio convencional se realizó a través de los

precios del Ondac y otras referencias; en cuanto a los valores propios del edificio aislado comos

ser los aisladores, anclajes y montajes, conexiones flexibles se obtuvieron de los contactos con

empresas y personas encargadas del estudio de este tipo de propuestas. Una consideración que

hay que tener es que los estudios de precios se realizan considerando el diseño realizado con la

norma 2745, con lo cual se han reducido cantidades de armadura y disminuido la sección de

algunos pilares. A continuación en la tabla 8.1 se muestra los resultados de las cubicaciones en

diferentes ítems.

Tabla 8.1 Resumen de Cubicaciones y Cantidades de Elementos de la Obra Gruesa del Edificio

Vanguardia Convencional y Aislado.

RESUMEN DE CUBICACIONES DE OBRA GRUESA EDIFICIO VANGUARDIA

Cantidad Edificio Ítem Descripción Unidad Convencional Aislado

Excavación Excavación con máquina m3 6320 5372 Excavación a mano m3 588 498

Moldajes Moldajes Fundaciones m2 1224 890 Moldajes Pilares m2 1236 1082 Moldajes Vigas m2 3759 3868 Moldajes Muros m2 6431 6424 Moldajes Losas m2 5770 5770 Moldajes Escaleras m2 429 429

182

Hormigón Hormigón Fundaciones Hormigón Fundaciones m3 435 360 Hormigón Pilares Hormigón Pilares Total m3 198 151 Hormigón Vigas Hormigón Vigas Cielo Subterráneo m3 111 102 Hormigón Vigas 1 Piso m3 62 60 Hormigón Vigas 2 Piso m3 68 68 Hormigón Vigas 3 - 4 Piso m3 128 128 Hormigón Vigas 5 piso m3 62 62 Hormigón Vigas 6 Piso m3 72 72 Hormigón Vigas Sala de Maquina m3 3 3 Hormigón Losas Hormigón Losas Subterráneo m3 361 361 Hormigón Losas 1 Piso m3 83 83 Hormigón Losas 2 Piso m3 77 77 Hormigón Losas 3 - 5 Piso m3 199 199 Hormigón Losas 6 Piso m3 77 77 Hormigón Losas Sala de Maquinas m3 7 7 Hormigón Muros Muros Subterráneo m3 209 209 Hormigón Muros Eje Longitudinal m3 147 145 Hormigón Muros Eje Transversal m3 353 350 Hormigón Escaleras Hormigón Escaleras Total m3 85 85

Acero Armaduras Acero A63-42H Fundaciones Kgf 11321 8775 Acero A63-42H Pilares Kgf 24548 19236 Acero A63-42H Vigas Kgf 132315 86004 Acero A63-42H Muros Kgf 76877 49970 Acero A63-42H Losas Kgf 89208 85125 Acero A63-42H Escaleras Kgf 1615 1500 Aisladores y Elementos Anexos Aisladores HDR Un 0 27 Montaje m2 0 244 Conexiones Flexibles m2 0 244

183

En la tabla 8.3 se presenta los costos para el edificio Vanguardia convencional y aislado, de

acuerdo a la cubicación presentada anteriormente y precios obtenidos en este trabajo; en

particular para la obtención de los valores de los aisladores y elementos anexos directamente

relacionado con el sistema se utilizó referencias de empresas y contactos de personas ligadas

muy de cerca con la implementación de estos sistemas, obteniéndose lo siguiente:

Para los valores de los aisladores se obtuvo el valor del precio unitario por unidad de

volumen, incluyendo los costos de los pernos de conexión y de la placa de anclaje,

estos valores referenciales corresponden al año 2003 y se muestran en la tabla 8.2, a

partir de este dato y con las dimensiones del aislador calculadas anteriormente se

obtiene la valor unitario del aislador HDR, además a modo de información se

muestran precios unitarios para aisladores con núcleo de plomo y friccionales.

Tabla 8.2 Precios Unitarios para Aisladores [17].

PRECIOS UNITARIOS AISLADORES

Diámetro Altura Costo U.F Volumen o Costos Unitario C/placaTipo Aislador (cm) (cm) 2003+IVA Área Anclaje+IVA

Aislador Sísmico HDR 60 28 88.2 84780 0.001788 Placa de anclaje c/conectores 63.4 cm3 UF/cm3 Aislador Sísmico LRB 60 28 97 84780 0.001892 Placa de anclaje c/conectores 63.4 cm3 UF/cm3 Aislador Friccional 35 82.6 961.6 0.159117 Placa de anclaje c/conectores 70.4 cm2 UF/cm2

Para valores de montaje se manejan valores conservadores cercanos a 0.1 UF/m2.

Para costos relacionados con las conexiones flexibles (agua, alcantarillado, gas) se

estimó un valor bastante conservador, de 0.15 UF/m2.

Tabla 8.3 Resumen de Costos Directos del Edificio Vanguardia Convencional Versus Aislado.

RESUMEN DE COSTOS DIRECTOS PARA EDIFICIO VANGUARDIA CONVENCIONAL Y AISLADO

Cantidad Edificio Precio Costo Edificio Ítem Descripción UnidadConvencional Aislado Unitario ($) Convencional Aislado

Excavación

Excavación con máquina m3 6320 5372 3054 19301280 16406088

Excavación a mano m3 588 498 7323 4305924 3646854

184

Moldajes

Moldajes Fundaciones m2 1224 890 21000 25704000 18690000

Moldajes Pilares m2 1236 1082 8500 10506000 9197000

Moldajes Vigas m2 3759 3868 7000 26313000 27076000

Moldajes Muros m2 6431 6424 8000 51448000 51392000

Moldajes Losas m2 5770 5770 11000 63470000 63470000

Moldajes Escaleras m2 429 429 21000 9009000 9009000 Hormigón Hormigón Fundaciones

Hormigón Fundaciones m3 435 360 67351 29297685 24246360 Hormigón Pilares

Hormigón Pilares Total m3 198 151 67351 13335498 10170001 Hormigón Vigas

Hormigón Vigas Subterráneo m3 111 102 67351 7475961 6869802

Hormigón Vigas 1 Piso m3 62 60 67351 4175762 4041060


Hormigón Vigas 3 - 4 Piso m3 128 128 67351 8620928 8620928

Hormigón Vigas 5 piso m3 62 62 67351 4175762 4175762


Hormigón Vigas Sala Maquina m3 3 3 67351 202053 202053 Hormigón Losas

Hormigón Losas Subterráneo m3 361 361 67351 24313711 24313711

Hormigón Losas 1 Piso m3 83 83 67351 5590133 5590133


Hormigón Losas 3 - 5 Piso m3 199 199 67351 13402849 13402849


Hormigón Losas Sala Maquinas m3 7 7 67351 471457 471457

Hormigón Muros

Muros Subterráneo m3 209 209 67351 14076359 14076359

Hormigón Muros Longitudinal m3 147 145 67351 9900597 9765895

Hormigón Muros Transversal m3 353 350 67351 23774903 23572850 Hormigón Escaleras

Hormigón Escaleras Total m3 85 85 67351 5724835 5724835 Acero Armaduras Acero A63-42H Fundaciones Kgf 11321 8775 400 4528400 3510000 Acero A63-42H Pilares Kgf 24548 19236 400 9819200 7694400 Acero A63-42H Vigas Kgf 132315 86004 400 52926000 34401600 Acero A63-42H Muros Kgf 76877 49970 400 30750800 19988000 Acero A63-42H Losas Kgf 89208 85125 400 35683200 34050000 Acero A63-42H Escaleras Kgf 1615 1500 400 646000 600000 Aisladores y Elementos Anexos Aisladores HDR Un 0 27 2711312 0 73205424

185

Montaje m2 0 244 1796 0 438224

Conexiones Flexibles m2 0 244 2695 0 657580

TOTAL 528750491 548477419 TOTAL U.F 29428.178 30526.101

De los resultados obtenidos en la tabla anterior se aprecia que el costo directo del edificio aislado

es levemente superior a su similar de base fija, incrementándose la inversión en un 3.7 %,

porcentaje que es menor desde el punto de vista de la protección que se entrega a la estructura,

además hay que tener en cuenta que el efecto del costo de los aisladores sobre el total, no es

menor, significa aproximadamente el 13 % del costo directo total, con esto se puede ver lo

importante que puede ser la optimización y masificación de los aisladores, ya que con esto se

podría disminuir su valor y hacer más competitivo las estructuras aisladas, por ejemplo si el

precio de los aisladores fuera un 28 % menor el edificio aislado tendría un menor costo directo

que el edificio convencional, de aquí la importancia de incorporar esta propuesta tecnológica, de

una manera más decidida y liberándose de enfoques convencionales que impiden el progreso

para estructuras sísmicamente más seguras, en esto la norma NCh 2745 ha sido un importante

paso. Finalmente, si lo vemos sólo desde el punto de vista económico, la estructura aislada en

cuanto a costos directos constituye un valor adicional de aproximadamente 1100 UF, que con

los datos de la fecha implica una inversión adicional cercana a los $20.000.000.

Valor UF considerada, 28/11/2005 = 17967.49.

8.2.2 ESTIMACIÓN DE COSTOS INDIRECTOS DEL EDIFICIO VANGUARDIA


En esta sección se intenta evaluar los costos indirectos que se generan como

consecuencia de la respuesta del edificio ante un sismo de intensidad considerable, recordemos

que existen altas probabilidades de que al menos una vez en la vida útil de cualquier edificio

sufra un evento sísmico importante. Por lo general estos costos no son considerados ni evaluados

en el estudio comparativo del punto de vista económico entre una estructura convencional y

aislada, ya sea por los diversos que pueden ser, por lo difícil de evaluar o simplemente porque no

existe la costumbre de realizarlo; pero considerar estos valores puede ser significativo y aun más

lo es, al momento de comparar una estructura aislada contra una convencional, ya que las

principales ventajas económicas que presenta la estructura aislada se manifiestan en gran medida

en los costos indirectos.

La intención de incluir este análisis es ver objetivamente los costos totales del edificio

convencional y aislado, bajo un marco global. Para el análisis de los costos indirectos se

186

consideraron tres aspectos en este estudio, esto porque se estima que son los más representativos

e influyentes y también debido a que otros parámetros como el daño físico y sicológico a los

habitantes del edificio son difíciles de cuantificar; los aspectos considerados son: Costos por

daño y reparación de la estructura, costos y perdidas en los contenidos del edificio y el lucro

cesante.

Para evaluar el punto referente a los costos por daño y reparación de la estructura se parte del

hecho que la estructura aislada tendrá un comportamiento que generará menos daño, abalado en

que los esfuerzos sobre la estructura aislada son menores que en la convencional y además el

factor de reducción R utilizado en el diseño de la estructura convencional es de 7.2 que significa

un comportamiento inelástico importante durante un sismo severo lo cual es sinónimo de daños,

en cambio para la estructura aislada este mismo factor se considera igual a 2, que es

comportamiento prácticamente en el rango elástico, significando un bajo nivel o ausencia de

daños. Para cuantificar el daño estructural que presentarán tanto el edificio Vanguardia

convencional como aislado se utiliza una curva de vulnerabilidad para estructura de muros de

hormigón armado calibrada a partir de lo ocurrido en Viña del Mar en el terremoto del 3 de

marzo de 1985, como dato de entrada se necesita un determinado nivel de deformación relativa

de entrepiso o drift (como se había mencionado los valores de los drift están intrínsicamente

ligado al nivel de daño), que para nuestro caso ya está determinado tanto para el caso de base fija

como aislado, se considera el valor representativo del drift en cada dirección de análisis y luego

se estima un valor representativo como efecto global. En la figura 8.1 se muestra la curva de

vulnerabilidad mencionada, para el caso convencional el valor del drift es de 7 ‰ con lo cual el

nivel de daño esperado alcanza el valor de 54 % para el caso de base fija, también se considera el

valor representativo del drift para el caso aislado que es de 1 ‰ , aunque por lo general este no

se considera por el bajo valor que presenta, pero en este estudio se considerar para prever

posibles gastos que se ocasionen y hacer más real la comparación, con el valor del drift

mencionado el nivel de daño esperado llega a los 2.3 % para el edificio aislado. Con estos

porcentajes de daños se puede establecer el valor del costo, tan solo multiplicando el nivel de

daño por la inversión calculada en la sección anterior.

Para la evaluación de los costos y perdidas de los contenidos del edificio, se hace una

simplificación debido a la gran variabilidad que existe entre estructuras, realizando la misma

consideración que hacen las empresas aseguradoras y reaseguradotas internacionales que es de

estimar el daño de los contenidos como proporcional al daño estructural [16], aunque la

experiencia muestra que en general serán mayores. En forma conservadora y por simplicidad se

asume que los contenidos del edificio Vanguardia tiene un valor de 10 UF/m2 y que el nivel de

daño es el mismo que para la situación estructural, es decir de 54 %, con lo cual el costo

esperado alcanza las 5.4 UF/m2.

187

188

Fig. 8.1 Curva de Vulnerabilidad para una estructura de hormigón armado calibrada a partir de lo

ocurrido en Viña del Mar en el terremoto del 3 marzo de 1985, y aplicada al edificio Vanguardia

Convencional y Aislado.[16]

Para de alguna forma considerar el lucro cesante se estimó el costo de arriendo para las oficinas

con que cuenta el edificio Vanguardia, para ello se hicieron algunas simplificaciones, se

consideró valores típicos de mercado que existían al momento de realizar esta tesis para el

arriendo de este tipo de bien, el cual resulto ser de 0.3 UF/m2 ( estimación bastante

conservadora), las oficinas tipo son de 28.125 m2 y son 6 por nivel , lo que da un total de 36

oficinas, para reducir el costo por este ítem y asumiendo que no todas las oficinas quieran seguir

en funcionamiento después de un sismo severo se considera el 50 % de ellas, es decir sólo el

arriendo de 18 oficinas; es claro que este valor sólo existe en el edificio convencional, ya que la

estructura aislada puede seguir operativa después de un sismo severo.

Todos los factores analizados y sus resultados monetarios, el costo por daño y reparación

estructura, el cotos por perdidas y daños en contenidos y el lucro cesante; se muestran en la tabla

por separado en las tablas 8.4, 8.5 y 8.6 respectivamente, finalmente en la tabla 8.7 se muestra el

resumen general para el caso del edificio Vanguardia.

Tabla 8.4 Determinación de los costos por concepto de daños de la estructura del edificio

Vanguardia.

COSTOS DEBIDO A DAÑO ESTRCUTURAL

Tipo Edificio Inversión Valor Drift ‰ % Daño Costo por Daños Costo Final Convencional 528750491 7 54 285525265,1 814275756

Aislado 548477419 1 2,3 12614980,64 561092400

Tabla 8.5 Determinación de los costos por concepto de daños y perdidas de contenidos del

edificio Vanguardia.

COSTOS DEBIDO A DAÑO EN CONTENIDOS

Tipo Edificio Área Valor Inversión % Daño Costo por Daños Costo Final Convencional 2930 179674,9 526447457 54 284281627 813032118

Aislado 2930 179674,9 526447457 2,3 12108292 560585711

Tabla 8.6 Determinación de los costos por concepto de lucro cesante del edificio Vanguardia.

COSTOS DEBIDO A LUCRO CESANTE

Tipo Edificio Área Valor Inversión Costo Costo Final Convencional 506 5390 49094370 49094370 577844861

Aislado 506 0 0 0 548477419

Tabla 8.7 Resumen de los costos totales del edificio Vanguardia.

RESUMEN DE COSTOS EDIFICIO VANGUARDIA

Tipo Edificio Costo Directo Costos Indirectos ($) Total Costo Total Costo Total Costos ($) D. Estructural D. Contenido L. Cesante Directo ($) Indirecto ($) ($)

Convencional 528750491 285525265 284281627 49094370 528750491 618901262 1147651753Aislado 548477419 12614981 12108292 0 548477419 24723272 573200691

De los resultados presentadas en las tablas anteriores se puede notar que bajo los tres parámetros

analizados para ver los costos indirectos el edificio aislado presentó menores valores, y que su

189

190

528 548619

25

1148

573

0

200

400

600

800

1000

1200

Costos ($)

Millones

Costo Directo Costo Indirecto Costo Total

Tipo de Costo

Costos del Edificio Vanguardia Convencional Versus Aislado

Convencional Aislado

Fig. 8.2 Resumen de diferentes tipos de costos del edificio Vanguardia convencional versus

influencia en el costo total y final asumiendo que el edifico sufrió un sismo severo tuvo el mismo

comportamiento, considerando sólo el aspecto de daños estructurales el costo final fue de un 30

% más barato en el caso aislado, al ver sólo los daños a los contenidos sucede lo mismo, la

estructura aislada es 30 % más económica y considerando sólo el lucro cesante el edifico aislado

tiene un ahorro del 5 %.

Al analizar los efectos globales considerando los costos directos e indirectos a los que ésta y

puede estar afecto el edificio Vanguardia, bajo los conceptos de éste trabajo, se puede apreciar

los costos indirectos en una estructura convencional pueden llegar a ser tan o más importantes

que la misma inversión inicial considerada en el costo directo (para nuestro caso 117 %), el

mismo análisis en el edificio aislado tiene resultados diametralmente opuesto, ya que el valor por

concepto de costos indirectos sólo es una pequeña fracción de la inversión inicial (para nuestro

caso 4.5 %); y finalmente el costo total del edificio Vanguardia aislado resulta ser un 50 % más

económico que su similar convencional, este resultado es claro para confirmar las ventajas

económicas que entrega la aislamiento basal al edificio, las cuales si bien es cierto no se

manifiestan el momento de realizar al inversión, (aunque los resultados de este estudio

confirman la idea de que la estructura aislada puede ser competitiva con su similar de base fija

considerando sólo los costos directos al aprovechar todas las ventajas que entrega la aislamiento

desde el punto de respuesta), se presentarán en un mediano o largo plazo, al momento en que la

estructura sea puesta a prueba por un sismo severo, lo cual en nuestro país es un acontecimiento

prácticamente seguro para toda estructura. Para dejar de manifiesto en forma gráfica los

resultados del análisis económico se presenta la figura 8.2

Aislado.

Conclusiones

191

CONCLUSIONES

El resultado del análisis modal tridimensional y diseño del edificio Vanguardia

Convencional, aplicado la norma NCh 433 con su respectivo espectro y el código ACI 318-02

fueron satisfactorios. Existió un buen desempeño del edificio cumpliendo con las disposiciones

de corte basal y presentando aceptables valores de desplazamiento relativo que estuvieron dentro

de los rangos establecidos, todo esto bajo el marco conceptual y filosofía de diseño tradicional

establecido en la NCh 433. Con respecto a los resultados del diseño la principal característica es

que existe una importante relación de armadura (kg/m3) debido a los esfuerzos que tienen que

soportar los elementos estructurales, como a la arquitectura con zonas de voladizos y amplios

vanos.

Un resultado importante del análisis del edificio Vanguardia convencional fue su período

principal de 0.574 seg, que la hace una estructura que se puede considerar rígida, esta condición

unido a la búsqueda de un mejor comportamiento del edificio Vanguardia tanto del punto de

vista estructural como económico, fundamentan la idea de implementar un sistema de aislación

basal. Se analizaron tres posibles sistemas, (i) conformados por aisladores HDR, (ii) un sistema

mixto de aisladores LRB y HDR, (iii) aisladores FPS, elegidos por su nivel de conocimiento y

sus buenos resultados a nivel nacional como internacional.

Para el edificio Vanguardia se fijo el período aislado de diseño en 2.5 seg, valor que asegura

buenos niveles de respuesta porque aleja a la estructura de las zonas de mayor energía de los

sismos chilenos y la cantidad de 27 aisladores. Se implementa un proceso iterativo de diseño

para cada sistema de aislación en estudio, con el que se define las características mecánicas y

geométricas de los dispositivos, verificando niveles de seguridad adecuados. El resultado del

diseño fue satisfactorio ya que se obtuvieron dimensiones adecuadas y factibles de realizar, y

con propiedades de los elastómeros y de los elementos friccionales disponibles en el mercado.

Para el sistema HDR se obtuvieron aisladores con un diámetro exterior de 60 cm, una altura total

de 29.8 cm, que corresponden a 29 capas de goma de 6 mm y 28 laminas de acero de 3 mm, con

una rigidez horizontal promedio de 1.16 ton/cm; para el sistema mixto los resultados fueron para

el aislador LRB de un diámetro exterior de 60 cm, un diámetro interior de plomo de 10 cm, una

altura total de 27.1 cm que corresponde a 26 capas de goma de 6 mm y 25 laminas de acero de 3

mm, con una rigidez de postfluencia de 0.97 ton/cm, para los aisladores HDR dentro de este

C A P I T U L O IX

Conclusiones

sistema presentó un diámetro exterior de 60 cm, una altura total de 29.8 cm, que corresponden a

29 capas de goma de 6 mm y 28 laminas de acero de 3 mm, con una rigidez horizontal promedio

de 1.15 ton/cm; para el sistema FPS el radio de curvatura es de 155 cm, con un coeficiente de

fricción, µ, de 0.6, el diámetro del slider resultó ser 25.5 cm, una altura total de 26.53 cm, y una

dimensión horizontal representativa de 52 cm.

Se aplicó un análisis dinámico no lineal según lo establecido en la norma NCh 2745, con dos

registros, el de Melipilla y el de Llolleo, resultando ser más exigente el primero; para la

implementación de las propiedades en el programa computacional SAP2000 se calculó las

propiedades biliniales de cada dispositivo. Los resultados del ADNL fueron los esperados, con

un período principal muy cercano a los 2.5 seg, siendo los tres primeros modos muy cercanos

entre si (período aislados traslacionales y el período aislado torsional). Los resultados de los

cuatro parámetros escogidos para la evaluación fueron satisfactorios para los tres sistemas en

estudio, tanto para el registro de Melipilla como de Llolleo, obteniéndose valores menores que

los que se presentan en estructuras convencionales, es así que los desplazamientos del sistema de

aislación fueron muy cercanos entre si y menores que los desplazamientos de diseño calculados

según la NCh 2745, para los drift y las aceleraciones absolutas los tres sistemas se comportaron

bien, entregando valores beneficiosos para el edificio, además de presentar, muy porca

amplificación en altura, lo de los drift positivo porque esta relacionado con menos daños

estructurales y lo de la aceleraciones porque produce menores momentos volcantes y daños en

los contenidos, siendo el sistema que HDR es que presenta mejores comportamientos globales de

los parámetros; para los esfuerzos de corte la situación fue semejante, los tres sistemas

entregaron valores beneficiosos porque generan una menor demanda en los elementos

estructurales de lo que típicamente se podría esperar, manteniéndose dentro del rango elástico, y

nuevamente el sistema HDR más positivo. Como resultado de la evaluación comparativa y bajo

un contexto global del edificio Vanguardia el sistema HDR fue el que presentó las mayores

ventajas, tanto en los registros de Melipilla y Llolleo, por lo cual fue el elegido como el sistemas

aislante, seguido por el sistema mixto y el FPS. Para el sistema FPS se contaba con menos

antecedentes y experiencia, y es un hecho que se puede pulir tanto el proceso iterativo de diseño

como la modelación computacional, para incluir de mejor manera características propias del

sistema, como ser la variabilidad del coeficiente de roce con la velocidad y la presión o el

levantamiento del dispositivo, que pueden influir en un posible mejor comportamiento.

Al someter al edificio Vanguardia convencional al registro y comparar con el edificio

Vanguardia asilado con el sistema HDR (que fue el elegido), con los mismos parámetros, los

resultados fueron claros y concluyentes, el comportamiento del edificio Vanguardia aislado fue

muy superior a su similar convencional, en lo que se refiere a los desplazamientos laterales estos

están marcados por el desplazamiento del sistema de aislación para el caso aislado, pero sobre la

interfaz de aislación se comporta prácticamente como un cuerpo rígido a diferencia de lo que

192

Conclusiones

sucede en el edificio base fija en donde los desplazamientos se presentan en todos los niveles y

con importantes amplificaciones en altura, dentro de esto mismo y como consecuencia de lo

anterior la magnitud de los drift presentó una importante disminución, con factores de reducción

de 7.4 en la dirección X y de 5.8 en la dirección Y; para la aceleración absoluta se tiene que el

factor “filtro” que tiene la aislación sobre la aceleración del suelo es altamente efectivo con un

valor de 94%, el factor de reducción característico que se presento en ambas direcciones de

análisis fue de 15, siendo una diferencia importante entre los dos tipos de estructuras, además en

el caso Vanguardia aislado las amplificaciones en altura fueron bastantes discretas, lo que no

sucede en el caso convencional, que es un indicador que los momentos volcantes serán menores

para la situación aislada; los valores del esfuerzo de corte sólo vienen a corroborar lo anterior, el

registro de Melipilla genera una importante exigencia sobre este parámetro y el sistema de

aislación respondió correctamente produciendo factores de reducción sobre la estructura

convencional de 7.15 en la dirección X y de 13.2 en la dirección Y, valores que incluso

resultaron ser superiores a lo que se esperaba.

En cuanto al diseño del edificio Vanguardia aislado se utilizó la nueva filosofía de la NCh 2745

con el espectro que ésta entrega destinado específicamente para estructuras aisladas y con el

código ACI 318-02. Se cumplió con todas las disposiciones que establece la norma, las fuerzas

laterales mínimas tanto para el nivel que se encuentra por debajo de la aislación como para los

niveles que se encuentran sobre él, los desplazamientos relativos de entrepiso se ubicaron por

debajo de los niveles máximos establecidos. Los esfuerzos resultantes de los elementos

estructurales, vigas, pilares y muros, son notoriamente menores, lo que se traduce en que las

cuantías necesarias disminuyen aproximadamente en un 30% respecto a las que presentó el

edificio Vanguardia convencional , excepto en el nivel del subterráneo en donde los esfuerzos y

por consiguiente las cuantías son levemente mayores que el caso convencional, lo que se

entiende por el mayor numero de elementos a soportar como por la seguridad en la estabilidad

del edificio. Se observó que las cuantías de los pilares eran las mínimas establecidas por el ACI

318-02, por lo cual abalado en el mayor conocimiento y control de la respuesta se disminuyeron

las secciones de los pilares sobre el sistema de aislación en un 20%, los resultados nuevamente

fueron los mismos, no se volvió a reducir la sección por razones arquitectónicas y de márgenes

de seguridad. El resultado del diseño fue una estructura con menor cantidad de acero y una

disminución de la sección de los pilares.

Respecto a los resultados de los aspectos económicos se pudo establecer que el precio de los

sistemas de aislación estudiados son competitivos entre si. Al analizar los costos directos del

diseño del edificio Vanguardia convencional y los del diseño aislado, resultó ser éste último un

3.7% mas costoso que se traduce en una inversión adicional de $20.000.000; la influencia del

sistema de aislación fue de un 13% del valor total del edificio aislado. Para la estimación de los

costos indirectos se utiliza una curva de vulnerabilidad calibrada para la realidad nacional, con la

193

Conclusiones

cual se obtiene un 54% de daño para el edificio Vanguardia convencional y un 2.3% de daño

para el caso aislado, estos valores se aplican a al inversión y a una aproximación del valor de los

contenidos, éstos unidos al lucro cesante conforman el costo indirecto total, para el edificio

Vanguardia este valor llega a ser un 117% de la inversión inicial, en cambio para el caso aislado

pierde importancia ya que sólo significa un 4.5% de la inversión inicial. Finalmente al considerar

los costos globales (directo + indirecto) el edificio Vanguardia aislado resultó ser un 50% más

económico que su similar convencional.

Como comentario final se tiene que al implementar un sistema de aislación sísmica en una

estructura, en este caso particular el edificio Vanguardia, se logra un comportamiento estructural

muy superior respecto a su versión convencional con altos niveles de seguridad y protección

sísmica tanto de la estructura como de los contenidos, y que es capaz de cumplir sin problemas

con objetivos de desempeño como los establecidos en la NCh 2745 que exceden ampliamente

los tradicionales y además económicamente representa una opción totalmente competitiva, que

bajo la mirada de la inversión inmediata el edificio aislado significa un leve aumento, pero al

considerar efectos de largo plazo resulta ser considerablemente menor, significando ventajas que

respaldan la opción del Vanguardia aislado.

194

B I B L I O G R A F I A

[1]. ALMAZAN, J.L.; J.C. DE LA LLERA; J.A. INAUDI. 1998. Modelling aspects of

structures isolated with the friccional pendulum system. Earthquake Engineering and

structural dynamics, 27: 847-967.

[2]. BECERRA E, C.G. 1998. Aislación basal de un edificio de vivienda tipo social. Tesis

Ing. Civil. Universidad de Concepción. Fac. Ing. 147 p.

[3]. BELES, A.A.; M.D. IFRIM.; A.G. YAGUE. 1975. Elementos de Ingeniería Sísmica. 1 ed.

Barcelona, OMEGA. 527 p.

[4]. CABALÍN M, C.P. 1997. Fundamentos de aislación basal. Tesis Ing. Civil. Universidad

de Concepción. Fac. Ing. 215 p.

[5]. DE LA LLERA, J.C.; C. LÜDERS.; P. LEIGH. 2003. Análisis, testing, and

implementation of seismic isolation of buildings in Chile. Earthquake Engineering and

Structural Dynamics.33: 1-33.

[6]. DE LA LLERA, J.C.; J.A. INAUDI; C. LÜDERS. 1998. Análisis y diseño de sistemas de

aislación sísmica y disipación de energía: SIRVE98. Santiago, Chile. 114 p.

[7]. ENRIQUEZ S., P.A. 2005. Aplicación de aislación basal en la fundación de

turbogeneradores de energía eléctrica. Tesis Magíster en Ingeniería. Pontificia

Universidad Católica de Chile. 213 p.

[8]. FEMA 356. 2000. Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of

buildings. Federal Emergency Management Agency, Report 356. Washington D.C.

[9]. INSTITUTO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN DE CHILE (ICH). 2003. Código de

diseño de hormigón armado, basado en el ACI 318-2002. 664 p.

[10]. INSTITUO NACIONAL DE NORMALIZACIÓN (INN). 2003. Análisis y diseño de

edificios con aislación sísmica. NCh 2745 Of 2003. 1 ed. Chile. 87 p.

[11]. INSTITUO NACIONAL DE NORMALIZACIÓN (INN). 1996. Diseño sísmico de

edificios. NCh 433 Of 96. 1 ed. Chile. 42 p.

195

[12]. KELLY, J.M.; F. NAEIM. 1999. Design of Seismic Isolated Structures. 1 ed. United

States of America, John Wiley & Sons. 289 p.

[13]. KELLY, J.M. 1998. Earthquake resistant design with rubber. London, Springer-Verlag.

209 p.

[14]. KELLY, T.E. 2001. Base isolation of structure. Holmes Consulting Group.Ltd. Nueva

Zelandia. www.holmesgroup.com. 231 p.

[15]. LEIGH M., P.G. 2002. Aislación sísmica de estructuras en base a sistemas híbridos de

goma y aleaciones: análisis, experimentación y diseño. Tesis Mag. Ciencias de la Ing.

Pontificia Universidad Católica de Chile. 202 p.

[16]. LÜDERS C; J.C. DE LA LLERA; M. ALVAREZ. 2004. Norma de aislamiento sísmico:

Sismos bajo control. Revista BIT Nº 36: 36-39.

[17]. LÜDERS C. 2005. Comunicación personal.

[18]. MARDONES S, R.A. 1999. Comportamiento de estructuras con aisladores FPS y LRB.

Tesis Ing. Civil. Universidad de Concepción. Fac. Ing. 175 p.

[19]. NACIONES UNIDAS. COMISION ECONÓMICA PARA AMERICA LATINA Y EL

CARIBE (CEPAL). 1999. América Latina y el Caribe: El impacto de los desastres

naturales en el desarrollo, 1972 – 1999. LC/MEX/L.402. 54 p.

[20]. PELDOZA, E. 2002. Análisis computacional no lineal de estructuras de acero,

incorporando aisladores sísmicos de comportamiento lineal y no lineal en su base. Tesis

Ing. Civil en Obras Civiles. Universidad Austral de Chile. Fac. Ingeniería. 90p.

[21]. SARRAZIN, M.; C. DESCOUVIERES; F. DELFÍN. 1989. Desarrollo de aisladores

sísmicos de goma laminada para edificios Chilenos. En: Trabajos 5as Jornadas de

Sismología e Ingeniería Antisísmica. Santiago, Chile. pp. 1085-1095.

[22]. SARRAZIN, M.; M.O. MORONI; J. YOMA; R. BERRIOS. 1989. Diseño sísmico de

edificios públicos de hormigón armado con aislación sísmica en la base. En: Trabajos 5as

Jornadas de Sismología e Ingeniería Antisísmica. Santiago, Chile. pp. 1097-1105.

[23]. SARRAZIN, M.; M.O. MORONI; F. OSORIO. 1989. Diseño sísmico de edificios de

vivienda con aislación en la base. En: Trabajos 5as Jornadas de Sismología e Ingeniería

Antisísmica. Santiago, Chile. pp. 1107-1113.

196

[24]. SCHELLER, JOERN; M. CONSTANTINOU. 1999. Response history analysis of

structure with seismic isolation and energy dissipation system: verification example for

program SAP2000. Technical report MCEER. 99-0002: 89-92.

[25]. SIRVE. 2005. Soluciones integrales para la reducción de vibraciones. Tecnología

avanzada en aislamiento sísmico y disipación de energía. (Disponible en:

http://www.sirve.cl y consultado el 19 de mayo del 2005)

[26]. SKINNER, R.I., 1993. An introducción to seismic isolation. Chichester, John Wiley.

354 p.

[27]. VILLALOBOS P, H.S. 1997. Diseño de aisladores sísmicos para un edificio de aulas.

Tesis Ing. Civil. Universidad de Chile. Depto. Ing. Civil. 113 p.

[28]. WANG, YEN-PO. 1999. Fundamentals of seismic base isolation. International training

programs for seismic design of building structures. 10 p.

197

A N E X O S

198

Anexo A

A N E X O A

ANTECEDENTES SOBRE LA

AISLACIÓN BASAL

A.1 GENERALIDADES.

La aislación sísmica busca justamente el propósito de independizar a la estructura del

movimiento del suelo modificando las propiedades dinámicas de rigidez y amortiguamiento,

consecuentemente, los esfuerzos inducidos por la excitación de la estructura son

considerablemente menores. A partir de esto han sido inventados muchos mecanismos para

alcanzar este objetivo; por ejemplo en Ucrania en la cuidad de Sevastopol se construyo un

edificio sobre rotulas al igual que una escuela en la Cuidad de México y el Observatorio

Sismológico en Beijing, ha estado construido en un estrato de arena entre el edificio y la

fundación diseñada así específicamente para resbalarse en el caso de un terremoto. El

aislamiento sísmico se ha desarrollado fuertemente en los últimos años con importantes

innovaciones tecnológicas, convirtiéndose en una técnica popular de diseño sismorresistente para

edificios y puentes en todo el mundo.

A.2 ASPECTOS DE LA RESPUESTA DE ESTRUCTURAS AISLADAS.

En cuanto a la respuesta se tiene que el primer modo dinámico de la estructura aislada

involucra sólo deformación del sistema de aislamiento, la estructura por sobre él se mantiene

prácticamente rígida, en una estructura aislada el primer modo representa la casi totalidad de la

respuesta. Los modos superiores que producen deformación en la estructura son ortogonales al

primer modo y consecuentemente al movimiento del suelo, estos modos superiores no participan

del movimiento, ya que las altas energías del movimiento del suelo en estas frecuencias

superiores no puede se transmitida dentro de la estructura. Además en una estructura aislada

tendrá generalmente dos frecuencias modales traslacionales (modo aislado traslacional)

prácticamente iguales, asociadas al modo fundamental; la frecuencia torsional fundamental del

sistema (modo aislado torsional) puede diferir considerablemente de las frecuencias

fundamentales traslacionales, dependiendo de la ubicación en planta de los aisladores y sus

199

Anexo A

200

rigideces relativas, aunque en distribuciones uniformes la razón de frecuencia torsional y lateral

es similar a 1.

Se puede decir que el sistema de aislamiento no absorbe propiamente la energía de terremoto,

sino que más bien la desvía a través de la dinámica del sistema, este efecto no depende

netamente de la amortiguación, pero un cierto nivel de amortiguación es beneficioso porque

conduce a una menor demanda de deformación sobre el sistema de aislación, lo que significa una

reducción de la fuerza de corte que actúa sobre el sistema de aislación y las superestructura y

para suprimir posibles resonancias en la frecuencia del aislamiento.

El nivel óptimo de amortiguamiento del sistema depende fundamentalmente del objetivo del

diseño en lo referente a la demanda de deformaciones y aceleraciones, teniendo presente que un

aumento excesivo del amortiguamiento produce al aumento de las aceleraciones del piso.

Para conseguir esta favorable disipación se pueden utilizar dispositivos de plomo, elastómeros ya

sea naturales o con algún tipo de aditivo o también la fricción entre dos metales.

En la figura A1.1 y A1.2 se aprecian el efecto del amortiguamiento sobre las aceleraciones y

desplazamientos respectivamente.

Fig. A1.1 Efecto de la amortiguación sobre la aceleración. [14]

Fig. A1.2 Efecto del amortiguamiento sobre los desplazamientos. [14]

Anexo A

201

Para que el efecto de aislación sea beneficioso la superestructura debe ser rígida con un período

propio del orden de los 0.6 seg., para así inducir un período fundamental del conjunto del orden

de 2 a 3 seg., y además de modificar el período también se modifica las propiedades del

amortiguamiento (incremento de amortiguamiento a valores del orden del 10%) del sistema

estructural de modo que los esfuerzos inducidos por la excitación son considerablemente

menores.

Gráficamente este efecto se puede apreciar en un espectro de pseudo-aceleración como el que se

muestra a continuación en la Fig. A1.3:

Fig. A1.3 Espectro de pseudo-aceleración para el registro de Llolleo (1985) para razones

de amortiguamiento de 5, 10 y 15%.[25]

De lo anterior se tiene que la relación entre el periodo final del conjunto y de la superestructura

debe ser mayor de 3, teniendo presente que el diseño debe asegurar que en un sismo máximo, la

superestructura no se plastifique y responda siempre en régimen elástico.

Para visualizar como afecta en la respuesta sísmica, principalmente en las aceleraciones y

desplazamientos, el incluir un sistema de aislación en la estructura se presenta un gráfico

desarrollado por Marioni (Presidente del Comité Europeo de Normalización de Apoyos y

Dispositivos Antisísmicos) en el cual en le eje de las ordenadas se representan los

desplazamientos laterales del baricentro de la estructura, en el de las abcisas las aceleraciones

máximos espectrales; en líneas que son hipérbolas las energías cinéticas y en rayos recios que

parten del origen los períodos.

Anexo A

202

El grafico se muestra en la Fig. A1.4 aplicado a una estructura que tiene un periodo de 0.6 seg y

una aceleración máxima de 0.66, de donde se ve que el desplazamiento es de 5.6 cm, luego si a

esta estructura le implementamos un sistema de aislación que aumente el periodo a 2 seg, para

saber que sucede se traza la curva equipotencial de A/g =0.66 y donde esta curva intercepte al

rayo de T = 2 seg, se determina gráficamente el desplazamiento estructural y la aceleración, en

este caso la aceleración fue de 0.19 y el desplazamiento de 19.4 cm.

Con esto se puede ver fácilmente que realmente las aceleraciones se reducen considerablemente,

en nuestro ejemplo al 30 % de la inicial, al contar con un sistema de aislación basal logrando

disminuir los esfuerzos de los elementos que componen la estructura; el desplazamiento

aumenta, pero este puede ser controlado a través de la disipación de energía y amortiguamiento

que se puede introducir en el aislador, además que el desplazamiento es conllevado por el

aislador no generando desplazamientos relativos significativos en la superestructura.

Figura A1.4 “Gráfico Universal de Cortes Basales Equipotenciales”; Marioni.

Un aspecto que es importante tener en cuenta es que los sistemas de aislamiento deben contar

con una rigidez alta para bajos niveles de carga, esto quiere decir que la estructura no vibre bajo

cargas frecuentes, tales como sismos leves o cargas de viento. Como se verá para esto se han

desarrollado elastómeros especiales que a pequeñas deformaciones presentan un alto modulo de

corte y que por ende son rígidas bajo estas condiciones, pero que a mayores deformaciones se

Anexo A

comporta como aislador; el sistema friccional también posee un nivel de carga para comenzar a

actuar.

A.3 MAYORES ANTECEDENTES DE LOS AISLADORES BASALES.

Se presenta un breve resumen de los diversos sistemas de aislación sísmica que se han

desarrollado y que se encuentran en el mercado, para luego entregar en más detalle aspectos de

los aisladores elastoméricos y FPS.

Deslizadores: es un tipo de aislación de tipo friccional, en que la disipación de energía se

logra mediante la fricción seca entre superficies de materiales distintos, como por

ejemplo teflón y acero (Fig. A1.5). A pesar que este dispositivo esta implementado en

Chile, por razones de extensión del presente trabajo no se incluyó.

Fig. A1.5 Deslizador friccional.

VPJ: Aislador metálico, formado por 16 elementos en forma de C, el cual disipa energía a

través de la plastificación de estos, y posee una resistencia uniforme en todas las

direcciones (Fig. A1.6).

Fig. A1.6 Dispositivo VPJ

203

Anexo A

204

Aislador friccional con anillo de goma: Este dispositivo disipa energía a través de la

fricción, y posee una componente restitutiva dada por la goma (Fig. A1.7).

Fig. A1.7 Aislador friccional con anillo de goma.

Sistema de aislación de piso: Sistema de piso flotante consistente en secciones de apoyo

(apoyos de bola) y unidades de amortiguamiento (amortiguadores viscosos y resorte

helicoidal). (Fig. A1.8).

Fig. A1.8 Aislación de piso

Sistemas de rieles cosenoidales: Sistema de rieles con movimiento pendular (dado por la

forma cosenoidal de los rieles) que se coloca bajo muebles (Fig. A1.9).

Fig. A1.9 Rieles cosenoidales.

Anexo A

A.3.1 AISLADORES ELASTOMERICOS.

Los sistemas elastoméricos como tal fueron utilizados por primera vez en 1969 en

Yugoslavia, para la protección sísmica de una escuela primaria. En esta primera experiencia se

utilizaron apoyos de goma natural, estos apoyos son bloques grandes de goma sin placas de

acero de refuerzo; que tienen una rigidez vertical que es sólo un porcentaje de la rigidez

horizontal y la goma o el caucho es relativamente carente de amortiguamiento, este sistema tenia

como principal limitantes la expansión lateral y la baja rigidez vertical, hay que tener presente

que este sistema se diseñó cuando la tecnología para reforzar bloques de goma con láminas de

acero no estaban altamente desarrolladas o ampliamente sabidas, por lo cual es difícil que este

método sea vuelto a usar. Después que este edificio fue completado, muchos otros edificios han

sido construidos con apoyos de goma natural, pero como se desarrollaron tecnologías nuevas se

les implemento algo más, placas de acero que reforzaban la conexión, los apoyos tomaron la

forma como lo conocemos hoy en día, como apoyos elastoméricos laminados, intercalando

laminas de goma con delgadas placas de acero unidas así por un proceso de vulcanización.

Estos apoyos poseen mayor rigidez vertical inhibiendo la expansión lateral de la goma que

resulta de la presión vertical de la estructura y a la vez las láminas alternadas de goma entregan

la flexibilidad horizontal que permite al edificio moverse lateralmente bajo el movimiento fuerte

del suelo.

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.

También existe un mayor conocimiento acerca de las ventajas y cuidados que hay que tener con

la goma, se aprovecha mejor la no linealidad de la curva tensión – deformación para producir el

desacople y disipar gran cantidad de energía en sus ciclos de carga y descarga, y los principales

cuidados son por la presencia de oxigeno que produce el efecto de oxidación y el ozono que

genera agrietamientos en la superficie de la goma, aumentando la cantidad de superficie

expuesta a los agentes externos, por ello es el efecto mas serio y preocupante; para esto existen

aditivos antioxidantes y antiozonantes que se incorporan a la mezcla para retardar o evitar estos

efectos. Otros agentes externos son el fuego y los roedores, para lo primero existen protecciones

para los aisladores que soportan altas temperaturas evitando el contacto directo con el aislador y

para lo segundo rejillas u otro cuidados.

205

Anexo A

206

A.3.1.1 AISLADOR DE BAJO AMORTIGUAMIENTO (LDR).

Estos dispositivos presentan un comportamiento prácticamente lineal-elástico a bajas

deformaciones y lineal-viscoso a grandes deformaciones, su razón de amortiguamiento efectivo

es generalmente menor a 0.07 para deformaciones angulares que varían entre 0 y 2.

Las ventajas que posee este tipo de aislador es que son fáciles de confeccionar, la combinación y

adherencia del acero con la goma son bien entendidas, son fáciles para modelar y su respuesta

mecánica no está afectada por creep, la temperatura y el envejeciendo.

Una curva histerética típica de un dispositivo LDR se muestra en la figura A1.10.

Fig. A1.10 Curva de histéresis típica para un aislador de bajo amortiguamiento, LDR.

La más importante desventaja de este tipo de dispositivo es que requiere de un sistema

suplementario de amortiguación para lograr una razón de amortiguamiento de 10 a 20 %

necesaria para formar un apropiado sistema de aislación basal. En estos sistemas tenemos

amortiguadores hidráulicos, barras de acero, elementos fricciónales o núcleo de plomo dentro del

aislador mismo, existen varios inconvenientes para el uso de amortiguadores en estructuras

aisladas, ya que cada tipo de amortiguador, excepto el núcleo interno de plomo, requiere

conectores mecánicos elaboradas y mantenimiento de rutina, además que es posible de introducir

una poco de no linealidad en la respuesta que complica el análisis de la respuesta dinámica del

edificio aislado. Adicionalmente de las complicaciones técnicas que involucra tener que

implementar un sistema de amortiguación externo también se aumentan los costos tanto por el

Anexo A

207

sistema mismo como por la mantención necesaria. El caso del aislador elastomérico con núcleo

de plomo se analizará en punto posterior por tratarse de un caso especial.

A.3.1.2 AISLADOR DE ALTO AMORTIGUAMIENTO (HDR).

El desarrollo de un compuesto de goma natural con una alta amortiguación propia fue

logrado en 1982 por una asociación Británica, esta compuesto por un número de capas de goma

vulcanizada a placas de acero, nuevamente la rigidez horizontal del aislador es controlada por el

espesor de las capas de goma y la rigidez vertical es controlada por la alta rigidez en planta de las

placas de acero, inhibiendo la expansión lateral. La principal característica de este tipo de

dispositivo es que al contar con una goma que posee como propiedad natural un alto

amortiguamiento se elimina la necesidad de implementar elementos suplementarios de

amortiguación, y como consecuencia de esto la reducción de costos concernientes a dispositivos,

construcción y mantención. La amortiguación es aumentada añadiendo negro de carbón

extrafino, aceites o resinas en proporciones del orden del 25 al 30%, incrementando los niveles

de amortiguamiento entre 10 y 20 %. La goma de estos aisladores es no lineal a tensiones de

esfuerzo al corte menor de 50 % y en este rango presenta alta amortiguación y rigidez, lo cual

tiende a minimizar la posible respuesta bajo cargas de viento y bajos niveles de carga sísmica.

Durante el rango de 50 al 120 % de tensión de esfuerzo al corte, el módulo es bajo y constante.

En las tensiones grandes el módulo aumenta debido a un proceso de cristalización en la goma, el

que está acompañado de un incremento en la disipación de energía. Este incremento en la rigidez

y la amortiguación en las tensiones grandes pueden ser aprovechados para producir un sistema

que este rígido para entradas de energía pequeña, medianamente lineal y flexible para niveles de

entrada de energía de diseño, y que puede limitar desplazamientos ante niveles imprevistos de

entrada de energía que exceden los niveles del diseño. En la Fig. A1.11 se muestra un ciclo

fuerza deformación típica de un HDR.

Fig. A1.11 Curva fuerza-deformación típica de un aislador HDR.

Anexo A

La amortiguación de los aisladores no es ni viscosa ni histerética, sino que tiene un

comportamiento intermedio, tenemos que en un elemento puramente viscoso lineal la disipación

de energía es cuadrática en el desplazamiento y en un sistema histerético tiende ser lineal en el

desplazamiento; las pruebas hechas en un número grande de aisladores demostraron que la

energía disipada por ciclo es proporcional para el desplazamiento alrededor de un valor de

energía de1,5.

Las características del material de estos aisladores de alto amortiguamiento es que son algo más

sensibles a la temperatura y frecuencia que los aisladores de bajo amortiguamiento, pero en

general presentan muy buenos comportamientos; otro punto de mencionar es cierta dependencia

sobre la historia de carga, a menudo llamado “Efecto de Mullin”, aunque se ha visto que en

algunos compuestos tienen poco o ninguna manifestación de este efecto. Al analizar las curvas

de histéresis con una tensión de esfuerzo de corte grande se aprecia que en el primer ciclo la

rigidez efectiva y el amortiguamiento son mayores que en los siguientes ciclos, estabilizándose

generalmente para el tercer ciclo.

Las ventajas para usar HDR son varias: combinan la flexibilidad con la disipación de energía

necesitada en un solo elemento, son fáciles para diseñar y confeccionar, son compactos

simplificando el proceso de instalación, existe literatura sobre ensayos y desempeño de edificios

aislados.

A.3.1.3 AISLADOR ELASTOMERICOS CON NUCLEO DE PLOMO (LRB).

El aislador elastomérico con núcleo de plomo (LRB) fue inventado en Nueva Zelanda en

1975 y ha sido usado extensamente en Nueva Zelanda, Japón, y los Estados Unidos.

Este sistema combina en una unidad física el elemento flexible y el disipador de energía, las

láminas de acero del aislador fuerzan al núcleo de plomo a deformar en el esfuerzo al corte,

trabajando como un amortiguador de histéresis interno. El plomo del apoyo deforma

plásticamente a una tensión alrededor de 10 MPa a temperatura ambiente, produciendo

numerosos ciclos histeréticos estables, debido a que el plomo se recristaliza a temperatura

ambiente su fluencia repetida no produce falla por fatiga; entregando al aislador de una respuesta

bilineal. El núcleo de plomo debe estar muy apretado en el aislador elastomérico, lo cual es

logrado haciendo el tapón de plomo ligeramente más grande que la abertura e introduciéndolo a

la fuerza.

Los aisladores con núcleo de plomo han sido extensamente probados en Nueva Zelanda,

existiendo líneas directivas muy completas para su diseño y modelación.

La figura A1.12 muestra una curva de histéresis típica de este tipo de aisladores en el gráfico se

puede apreciar principalmente dos cosas: que en forma natural se tiene una mayor rigidez inicial

208

Anexo A

209

para cargas de servicio y una alta capacidad de disipación de energía influenciada por la

inserción del núcleo de plomo.

Fig. A1.12 Curva de histéresis para un aislador LRB.

Estas conexiones se han usado para aislar muchos edificios, mostrando su adecuado desempeño

durante los terremotos de Northridge en 1994 y Kobe en 1995.

A.3.2 AISLADOR DE PENDULO FRICCIONAL (FPS).

Los inicios del sistema FPS (Friction Pendulum System) se encuentran en los aisladores

de fricción pura, los cuales protegen a la estructura a través de un mecanismo deslizante, en estas

conexiones existen fuerzas horizontales de rozamiento que se oponen al movimiento y logran

disipar energía, pero no tiene fuerzas restitutivas, ocasionando la presencia de desplazamiento

permanentes después de ser solicitado sísmicamente.

En la figura A1.13 se presenta un esquema de un sistema de apoyo de fricción pura con su

modelo dinámico:

Fig. A1.13 Sistema de fricción pura.

Anexo A

210

Se ha estudiado e implementado diferentes mecanismos para evitar el inconveniente de los

desplazamientos permanentes.

El sistema de péndulo friccional (FPS) logra por si sólo la reposición inicial de la estructura. Este

sistema es similar al de fricción pura pero tiene una modificación, a una de las placas en contacto

se le entrega una forma curva, consiguiendo que la estructura oscile hasta volver a su posición

inicial después de haber sido sometida a una solicitación sísmica.

El aislador FPS tiene un dispositivo deslizante articulado (slider) que se mueve sobre la

superficie esférica de acero inoxidable, esta última esta perfectamente pulida y el deslizador

articulado se encuentra recubierto con un material compuesto de bajo coeficiente de fricción y

una alta capacidad de soporte basado en PTFE (politetrafluoroetileno) o teflón. Además el

deslizador tiene una forma lenticular esférica con el fin de que este en contacto todo el tiempo

con la superficie en una zona y no en solo en un punto, lo cual podría causar que la superficie de

acero se raye o impida el desplazamiento del aislador. Las presiones de diseño con las que se

permite trabajar son cercanas a los 500 kg /cm2, y como última característica a mencionar es que

el aislador de péndulo friccional puede ser colocado tanto en su posición basal como invertida, lo

cual dependerá principalmente de la ubicación del aislador dentro de la estructura, de todas

maneras la posición invertida ayuda a mantener limpia la superficie esférica, esto unido a que

existe un sello de goma alrededor del aislador que evita el ingreso de polvo y agua.

El sistema se basa en los mismos principios del movimiento de un péndulo simple (Fig. A1.14),

por lo tanto ante una solicitación sísmica el dispositivo deslizante se mueve sobre la superficie

esférica, causando que la masa soportada se levante generando la fuerza restauradora del sistema.

Fig. A1.14 Analogía entre el péndulo tradicional y

el sistema de péndulo friccional.

Anexo A

211

Un ejemplo de un aislador FPS es mostrado en la figura A1.15:

Fig. A1.15 Aislador de péndulo friccional (FPS), con sus principales componentes.

La fricción entre el dispositivo deslizante articulado y la superficie esférica generan la

amortiguación y por ende la disipación de energía en los aisladores.

En la figura A1.16 se muestra un esquema de la curva fuerza-deformación típica que presenta el

FPS, donde se representan sus propiedades.

Fig. A1.16 Curva típica de histéresis para un aislador FPS.

El apoyo FPS solo es activado cuando el sismo produce una fuerza de corte sobre la interfase de

aislación que supera la fuerza de fricción estática del aislador, antes de esto la estructura se

comporta como un sistema convencional, con períodos de vibración de una superestructura de

Anexo A

212

base no aislada, esto es muy adecuado para evitar que la estructura oscile ante cargas de viento o

solicitaciones sísmicas menores. Cuando la fuerza sísmica supera la fricción estática, el péndulo

friccional se comporta como un fusible, ya que se activa inmediatamente, respondiendo con

períodos de base aislada, y con respuestas dinámicas y amortiguamientos dominados por las

propiedades del aislador. Cuando el péndulo friccional se encuentra en movimiento se produce la

elevación a lo largo de la superficie esférica, produciéndose una fuerza lateral en el apoyo que es

combinación del efecto de la fuerza friccional, que genera la disipación de energía, y una fuerza

de restauración inducida por la gravedad dado por la geometría del sistema, esta como su nombre

lo dice es la que vuelve a su posición original al sistema, esto se puede apreciar en la figura

A1.17:

0

sin( )b bWF x W xR

µ= +

Fig. A1.17 Diagramas de equilibrio dinámico para

FPS en un modelo plano

Podemos obtener la fuerza restauradora en una dimensión, con pequeñas deformaciones,

realizando equilibrio horizontal, la cual es:

(Ec. A.1)

Donde W representa el peso de la estructura, R0 es el radio de curvatura de la superficie cóncava,

µ es el coeficiente de fricción entre las superficies, bx es la deformación lateral, bx la velocidad

relativa del aislador y la función sen ( bx ) que es igual a 1 o -1 dependiendo si la velocidad es

positiva o negativa respectivamente. En la ecuación 2.2 se asume que el ángulo θ entre la

Anexo A

213

normal y la dirección vertical es pequeño, por lo cual cos(θ) = 1 y

0

hh

h

qWF q WR q

µ= +

µ tan (θ) = 0; basado en esto la

fuerza normal N es implícitamente asumida igual a W.

La ecuación 2.2 puede ser extendid

equilibrio dinámico en el plano horizontal como.

(Ec. A.2)

en donde F = [Fx Fy]T es la fuerza restauradora del aislador, con Fx y Fy las componentes

cartesianas de la fuerza en la dirección x e y respectivamente; =

a para el caso bidireccional, presentando la condición de

hq [ b bx y ]

ponente en Y;

T es la deformación

horizontal del aislador con xb su componente en X e yb su com = [hq b bx y ]T

representa la velocidad horizontal y h hq q

hh

qNF q Nq

µρ

= +

es el vector unitario tangente para la trayectoria

horizontal, este es análogo a la función seno de la ecuación 2.2. Tanto la ecuación 2.2 y 2.3 están

limitadas a pequeñas deformaciones del aislador.

A su vez la ecuación 2.3 puede ser extendida para casos más generales donde existan grandes

deformaciones, para esto se tiene que considerar el caso en tres dimensiones, como lo muestra la

figura A1.18:

Fig. A1.18 Diagramas de equilibrio dinámico

para FPS, en un modelo tridimensional.

En este caso la ecuación de equilibrio dinámico horizontal es:

(Ec. A.3)

Donde N es la magnitud de la fuerza normal,

ρ es el radio de curvatura de la superficie cóncava,

este radio es constante e igual a R0, = [q b b bx y z ]T es la velocidad del aislador en tres

Anexo A

214

1 volz NuN Wg W

⎛ ⎞= + +⎜ ⎟

⎝ ⎠

max max min( ) a uf f f eµ −= − −

dimensiones, donde es la componente vertical; su valor depende de y . Es importante

mencionar que el valor de la fuerza normal N no es igual a W, N esta continuamente variando

durante el movimiento del sistema debido a la componente vertical del movi ento de la base y

del acoplamiento vertical-horizontal que existe entre el desplazamiento ve rizontal del

FPS, para el caso de deformaciones pequeñas la fuerza normal se puede expresar como:

(Ec. A.4)

En donde:

W = carga gravitacional.

= aceleración vertical del suelo.

= Carga normal debida al momento volcante de la estructura

Las ecuaciones A.4 muestran que la fuerza restauradora del aislador esta compuesta por la

superposición de dos acciones diferentes, una es el resultado del efecto pendular asociado a al

peso W y la geometría del dispositivo, Fp y la otra la fuerza friccional desarrollada en la interfase

del aislador entre el deslizador y la superficie cóncava, Fµ. En forma más compacta se pueden

resumir las ecuaciones anteriores, como:

F = Fp + Fµ (Ec. A.5)

Un aspecto que hay que tener en cuenta es que el coeficiente de fricción (µ) varia durante el

deslizamiento, ya que depende de la velocidad como de la presión de contacto; se ha

determinado que decrece cuando aumenta la presión y que se vuelve independiente para

velocidades sobre 51 mm/seg a presiones mayores que 20 Kpsi aproximadamente. Constantinou

(1990) propuso una expresión para el coeficiente de fricción, la cual es:

(Ec. A.6)

Donde

bz hq hq

mi

rtical y ho

zu

volN

maxf y minf son los valores del coeficiente de fricción para velocidad máxima y mínima

respectivam un parámetro que controla la variación del coeficiente de fricción con la

velocidad de deslizamiento; es la velocidad de deslizamiento. El efecto del coeficiente de

fricción sobre la respuesta que presenta el aislador se presenta en la figura A1.19, se observa que

la efectividad del aislador decrece cuando µ se incrementa, con lo cual teóricamente le

coeficiente ideal seria 0, pero en la practica se utilizan generalmente valores entre 0.05 y 0.12.

ente; a

u

Anexo A

215

02 RTg

π=

Fig. A1.19 Efecto de µ en la respuesta del FPS.

La rigidez efectiva del aislador y el período de aislamiento de la estructura es controlada por el

radio de curvatura de la superficie cóncava. El período de esta manera es independiente de la

masa soportada, siendo muy útil en estructuras que presenten masas variable (por ejemplo

estanques). En la ecuación 2.7 se puede apreciar que para un período deseado se debe escoger un

radio de curvatura de la superficie cóncava adecuado:

(Ec. A.7)

En donde: T = período de estructura.

R0 = Radio de curvatura de superficie cóncava.

g = Aceleración de gravedad (9.8 m/s2).

En la figura A1.20 se muestra el efecto de R0 sobre los esfuerzos de corte, observándose que la

efectividad del aislador aumenta a medida que se incrementa R0, obviamente el valor del radio

de curvatura va a depender directamente del periodo deseado y de la estructura, además que

valores muy grandes de R0 podrían generar desplazamientos residuales.

Fig. A1.20 Efecto de R en la respuesta del FPS.

Anexo A

216

Existen varios resultados experimentales que proponen otra ventaja de los FPS la cual es, que el

efecto torsional puede ser controlado naturalmente, debido a la proporcionalidad entre el peso de

la estructura soportada y la rigidez del aislador. La operación del aislador FPS es idéntica tanto

con la cara de la superficie cóncava hacia arriba o abajo, pero se ha visto que colocada boca

abajo puede inducir excentricidades en el elemento soportado.

Para hacer más evidente la efectividad y buen comportamiento de los aisladores FPS, se presenta

en la figura A1.21 su desempeño bajo un registro real de un terremoto, graficando la respuesta en

el tiempo de la aceleración horizontal en una estructura con FPS y una estructura sin FPS. Se

observa claramente que en la estructura con FPS se reducen considerablemente las aceleraciones

horizontales, lo que se traduce en una disminución en el esfuerzo de corte que afecta a la

estructura y sus componentes.

Fig. A1.21 Comparación de una respuesta en el tiempo de un sistema con y sin FPS.

µ = 0.05, R = 5 mt (Terremoto de Tabas)

Algunas limitantes que se pueden mencionar acerca de los FPS es que el radio de curvatura de la

superficie cóncava tiene que ser diseñado cuidadosamente, para evitar al máximo el

desplazamiento residual, y si fuera necesario radios grandes, sería necesario contar con algún

dispositivo que reposicionara la estructura después de un sismo severo, ya que en este caso se

presentarían inevitablemente desplazamientos residuales; otro problema seria que parte de la

energía disipada en forma de roce sería por calor, lo cual podría generar un efecto negativo.

Varias estructuras en los últimos años han sido construidas utilizando aisladores FPS. Un

ejemplo interesante y bien documentado, es el Ninth Circuit U.S. Court of Appeals building,

edificio ubicado en San Francisco, California EEUU, que sufrió varios daños durante el

terremoto de Loma Prieta en 1989, refaccionado hace unos años y que para su protección sísmica

se utilizaron 256 aisladores FPS.

217

A N E X O B

DETALLES Y CONFIGURACIÓN

DEL EDIFICIO VANGUARDIA

Esta sección es para entregar mayores detalles e información acerca de la estructuración

del edificio Vanguardia y algunos aspectos importantes acerca de la implementación del sistema

de aislación. Al momento de realizar ésta tesis el edificio Vanguardia se estaba construyendo en

forma convencional, ante esto en agosto del 2005 se realizó una visita para tener mayores

antecedentes en terreno y como resultado de ésta se presentan varias fotografías del edificio

Vanguardia, con algunos comentarios interesantes para el caso convencional como aislado.

Además se visitó dos de los edificios que cuentan con aislación y también se presentan algunas

fotografías de ellos que se cree son interesantes para poder visualizar como quedarían algunos

aspectos al implementar el sistema de aislación en el edificio Vanguardia.

Las figuras B1.1, B1.2 y B1.3 muestran la zona central del edificio Vanguardia, donde se ve

claramente la topología tipo pórtico y se puede apreciar el lugar de cambio a la zona donde hay

una mayor influencia de muros, que coincide con el eje donde se encuentra el muro de mayor

espesor que es de 60 cm. En las dos primeras figuras se muestra una vista de la elevación

principal y la tercera corresponde a la vista de la elevación posterior del edificio Vanguardia,

ésta última se presenta más que nada para mostrar que la configuración central de pórtico se

mantiene en prácticamente toda la altura y profundidad del edificio.

Fig. B1.1 Vista panorámica de la elevación frontal del edificio Vanguardia.

Anexo B

218

Fig. B1.2 Detalle de vista de elevación frontal.

Fig. B1.3 Vista de la elevación posterior del edificio Vanguardia.

Anexo B

219

En las figuras B1.4 y B1.5 se muestra las dos zonas laterales del edificio Vanguardia, en las

cuales existe la mayor concentración de muros, zonas de escaleras y ascensores.

Fig. B1.4 Sector lateral del edificio Vanguardia, donde existe una mayor concentración de

muros y donde se encuentran las cajas de escaleras y ascensor.

Fig. B1.5 Segundo sector lateral donde existe una importante concentración de muros.

Anexo B

220

En la figura B1.6 se muestra el nivel de techo del edificio, con la vista de la sala de maquinas y

distintos equipos que se encuentran en este nivel.

Fig. B1.6 Nivel de techo y sala de máquinas del edificio Vanguardia.

La figura B1.7 es una vista lateral del edificio, específicamente al sector de la caja de escala, la

cual tiene la particularidad de que sólo tiene esta configuración en el nivel de subterráneo y

primer nivel, luego en altura prácticamente sólo seguía un muro, el cual es señalado en la figura,

al que había que prestar atención por el nivel de esfuerzos que soportaba, por este mismo hecho

era totalmente recomendable y necesario colocar una pareja de aisladores bajo este muro.

Fig. B1.7 Detalle del sector de la Caja de Escalas.

Anexo B

221

En la figura B1.8 se muestran importantes aspectos, primero que es una vista del nivel del

subterráneo, donde se aprecia las amplias zonas libres (presencia de conjunto pilar – viga) por

estar destinados a estacionamientos, además en el cielo del nivel del subterráneo es donde se

ubicaran los aisladores, por lo que será esta zona la que sufrirá los mayores cambios entre la

estructura convencional y la aislada. Como se menciono los aisladores tienen que ir en los

elementos estructurales que transmiten cargas, ya sea pilares y muros, en este caso se

esquematiza la ubicación de los aisladores con círculos rojos, es claro que bajo la configuración

que presenta el núcleo central del edificio Vanguardia los aisladores irán en los pilares de la

estructura, además la losa de cielo de subterráneo será la misma que se utilizará en el caso

aislado con la salvedad que se encontrará sobre el nivel de aislación (evitándose construir una

losa adicional), por último las vigas de 40/60 que se señalan en la figura serán las que se

utilizaran como vigas de conexión del sistema de aislación, por lo cual su nueva ubicación en el

edificio aislado será sobre los aisladores, para la conexión de los pilares por debajo del sistema

de aislación se utilizarán vigas de 40/40 las cuales se ubicaran aproximadamente en donde están

ubicadas las vigas 40/60, teniendo como función actuar como tensores dentro del conjunto.

Fig. B1.8 Vista del nivel del subterráneo, señalando ubicación de los aisladores y elementos de

conexión del sistema de aislación.

En las siguientes figuras se muestra el sistema de aislación y detalles constructivos de un edificio

aislado de nuestro país, que presenta varias similitudes con el edificio Vanguardia, es el caso de

la Clínica San Carlos de Apoquindo (Clínica U.C), en la cual el sistema de aislación se ubica en

el cielo del subterráneo al igual que nuestro caso y además presenta una cantidad similar de

Anexo B

222

pisos. En las figuras B1.9 y B1.10 se muestra la disposición de los aisladores dentro de la

superestructura, se aprecia claramente que se encuentra en el eje del pilar, adicionalmente se

señalan las vigas de conexión y las vigas que actuaran como tensores; en una de las figuras está

el aislador con un elemento protector, el cual actúa como ignifugo para protegerlo en caso de

incendio y contra agentes externos, todos los aisladores del sistema deben contar con este

sistema de seguridad, ya que garantiza un mejor comportamiento ante situaciones extremas y

una mayor durabilidad.

Fig. B1.9 Aislador puesto en su posición y operativo, se señalan las vigas de conexión y los

tensores.

Fig. B1.10 Aislador que cuenta con elemento de protección ignifugo y contra agentes externos.

Anexo B

223

En la figura B1.11 se muestra la disposición de un aislador que se ubica sobre un muro, por lo

general éste se ubica en los extremos del elemento (de acuerdo a la longitud se puede ubicar uno

o más aisladores en el tramo) como es el caso de la figura y de todos los aisladores del edificio

Vanguardia que se ubican sobre un muro, apreciándose las vigas de conexión y el dado de

hormigón (en este caso en forma de rombo) que se genera para la placa de anclaje. En la figura

B1.12 además de presentar la característica que se encuentra un aislador sobre un muro, exhibe

el paso del tramo de una escalera por al interfaz de aislación, lo cual no es problema teniendo el

cuidado de generar una junta en la zona de la escalera (tanto a nivel de la estructura misma de la

escalera como de la baranda de ella), como la que se señala en la figura, donde se encuentra el

aislador para permitir el movimiento en caso de un sismo severo y que ésta tenga como

dimensión a lo menos el desplazamiento máximo.

Fig. B1.11 Vista de la disposición de un aislador que se ubica sobre un muro.

Fig. B1.12 Paso de la estructura de una escalera por la interfaz de aislación y su solución.

Anexo B

224

La existencia de un ascensor en una estructura aislada y más aun cuando el sistema de aislación

no se ubica a nivel de fundación representa ciertos detalles interesantes de mencionar, en el

cuerpo principal de la tesis ya se menciono que la pareja de aisladores que se ubica en el muro

que forma parte de la caja del ascensor están a nivel de fundación, por lo cual en la zona del

edificio donde se encuentra la interfaz de aislación (Cielo del subterráneo) la caja del ascensor

mantiene su continuidad, pero con la salvedad que la totalidad de la estructura que comprende la

caja del ascensor esta unida con unos conectores de acero a la estructura aislada, con lo cual

queda de alguna forma “colgada” de la estructura aislada y apoyada sobre los respectivos

aisladores en el inicio del ascensor, esto para no producir incompatibilidades de desplazamiento

que generen concentración de esfuerzos y posibles fallas. En la figura B1.13 se muestra esta

condición señalando las principales características.

Fig. B1.13 Disposición y solución constructiva para la caja de ascensor cuando esta cruza la

interfaz de aislación.

Un aspecto que es muy importante constructivamente son las conexiones flexibles, éstas se

deben implementar para los servicios de agua, electricidad, alcantarillado, gas, etc.; las cuales

son importantes porque evitan la rotura de las conexiones de estos servicios lo que significa: (i)

que no se producirán fugas las cuales pueden ser responsables de importantes daños tales como

inundaciones de los pisos inferiores y de incendios por efecto de las conexiones eléctricas o el

Anexo B

225

gas, la experiencia muestra que se han visto importantes daños por este motivo, (ii) mantiene la

serviciabilidad del edificio y de los servicios básicos después de un sismo severo. Las

conexiones flexibles deben ser de lata resistencia y las conexiones con la parte fija debe asegura

su buen funcionamiento, la longitud del tramo flexible de ser igual a la separación existente más

el desplazamiento máximo a lo menos. En la figura B1.14 se muestra una típica conexión

flexible.

Fig. B1.14 Conexión flexible, que se debe utilizar en los edificios aislados para servicios como

agua, electricidad, gas, etc.

Finalmente se menciona detalles que a simple vista son de menor orden, pero que tienen su

importancia en el buen funcionamiento de la estructura aislada. En la figura B1.15 se presenta

una vista del exterior del edificio.

Fig. B1.15 Exterior del edificio Clínico, con juntas y separaciones para permitir el movimiento

entre la parte fija y aislada de la estructura.

Anexo B

226

En la figura anterior si se observa con detención se puede ver una junta entre el muro que forma

parte del nivel del subterráneo que se encuentra fijo y su continuidad en la parte del edificio

aislado, esta junta tiene como finalidad permitir el desplazamiento relativo, sin el cual no sería

total el efecto de la aislación, además existe una separación correspondiente a lo menos al

desplazamiento máximo con un muro perimetral. En la figura B1.16 se muestra un detalle muy

sencillo, una rampla de acceso, pero con la cual hay que tener ciertas consideraciones; tanto en la

estructura mostrada en la fotografía como en el edificio Vanguardia se produce que estos

elementos se ubican conectando la parte fija de la estructura con la aislada, entonces la mejor

disposición es que la rampla se encuentre anexada a la estructura aislada y simplemente apoyada

sobre la parte fija para permitir el desplazamiento, con una longitud adecuada para que durante

un sismo severo se asegure siempre la conectividad para el paso de las personas.

Fig. B1.16 Disposiciones y condiciones para el correcto y seguro funcionamiento de una rampla

de acceso en un edificio aislado.

Anexo C

A N E X O C

RESPUESTA DEL EDIFICIO VANGUARDIA AISLADO

PARA EL REGISTRO DE LLOLLEO

C1.1 GENERALIDADES.

Este anexo es para complementar y respaldar los resultados obtenidos en el cuerpo

principal de la tesis, en donde se realizó el análisis para el registro de Melipilla (el cual es el que

genera mayor demanda para nuestro caso). La utilización del registro de Llolleo tiene sus

fundamentos en que es un registro que tiene una importante demanda, es utilizado en múltiples

estudios de estructuras, y su forma y contenido de frecuencias lo hacen interesante de aplicar a

una estructura aislada. Por razones de importancia y espacio se decide realizar este análisis sólo

las estructuras implementadas con aisladores HDR y el sistema mixto (LDR + HDR); ya que son

los dos tipos de aisladores que se usan por las características propias de nuestro país y además

los resultados presentados en el cuerpo principal indican que no hay mayores ventajas

comparativas del FPS sobre los dispositivos elastoméricos, es más éstos últimos son los que

presentan en general los mejores comportamientos con un comportamiento similar que hace más

interesante ver si esta tendencia se conserva para otro registro. Los parámetros a estudiar son los

mismos que se emplearon en el capitulo VIII, es decir el desplazamiento del sistema de

aislación, los desplazamientos relativos de entrepiso o drift, las aceleraciones absolutas y los

esfuerzos de corte; obviamente en ésta sección se presentaran los gráficos y tablas con los

resultados y algunos comentarios que sean de importancia.

C1.2 RESULTADOS DE LOS PARAMETROS EN ESTUDIO.

227

Anexo C

228

17.408

15.918

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

Deformación (cm)

HDR LRB+HDR

Tipo de Sistema

Deformación Sistema Aislación en X, Registro Llolleo

13.206

15.429

10.000

11.000

12.000

13.000

14.000

15.000

16.000

Deformación cm

HDR LRB+HDR

Tipo de Sistema

Deformación Sistema Aislación en Y, Registro Llolleo

C1.2.1 DESPLAZAMIENTO DEL SISTEMA DE AISLACIÓN.

Fig. C1.1 Deformación del sistema de aislación en X de Vanguardia, para registro de Llolleo.

Fig. C1.2 Deformación del sistema de aislación en Y del edificio Vanguardia, para el registro de

Llolleo.

De los gráficos se puede observar que el nivel de desplazamiento para el registro de Llolleo es

menor para los dos sistemas de aislación respecto al caso del registro de Melipilla, presentándose

desplazamientos que se encuentran por debajo del nivel del DD, respondiendo forma efectiva y

Anexo C

229

Respuesta de Desplazamiento en X para Edificio Vanguardia, Registro Llolleo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25

Deformación cm

Niv

el d

e Pi

so

HDR LRB+HDR

Respuesta de Desplazamiento en Y para Edificio Vanguardia, Registro Llolleo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20

Deformación cm

Niv

el d

e Pi

so

HDR LRB+HDR

segura. Para este caso, según la dirección de análisis los menores valores se turna entre los dos

sistemas, pero las diferencias no son significativas.

C1.2.2 DESPLAZAMIENTO RELATIVO DE LA SUPERESTRUCTURA.

Fig. C1.3 Respuesta en altura del Edificio Vanguardia de la deformación relativa, respecto al

nivel de fundación, en cada dirección aplicando el registro de Llolleo.

Anexo C

230

Se puede observar que en general las curvas no presentan quiebres y su variación en altura no es

grande en magnitud, presentando un perfil muy similar al caso de Melipilla, pero con valores

mas pequeños, además el hecho de que una curva este más a la derecha que la otra esta marcado

por la deformación del sistema de aislación, por lo cual con esto sólo se puede tener una idea de

cómo será el comportamiento de los drifts, el cual es representado de forma más aclaratoria en la

figura C1.4 donde se presenta la respuesta en el tiempo según la dirección de análisis, para cada

sistema de aislación y por nivel.

Fig. C1.4 Respuesta en el Tiempo de los Drift del Edificio Vanguardia, Registro Llolleo.



Anexo C

231

Anexo C

232

Respuesta de Aceleración Absoluta en X del Edificio Vanguardia,Registro Llolleo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Aceleración (g)

Niv

el d

e Pi

so

HDR LRB+HDR

Lo primero que se puede establecer después de observar los resultados expresados en los

gráficos, es que la aislación sísmica es efectiva para reducir de manera importante los

desplazamientos relativos de entrepiso, ya que tanto el análisis con el registro de Llolleo como

Melipilla entregan pequeños valores de drift muy favorables para la estructura. El

comportamiento de este parámetro bajo los dos registros no cambia significativamente,

existiendo algunos valores que son menores para el caso de Llolleo, pero que no marcan una

tendencia generalizada; se conserva la característica de similitud en el tiempo para la respuesta

de los dos tipos de aislación, con respecto a cual de los dos sistemas presenta más ventajas,

sucede algo muy similar que para el registro de Melipilla, los valores máximos de drift son

bastantes cercanos en la mayoría de los niveles del edificio, existiendo una preferencia por el

sistemas conformado por aisladores HDR, ya que es el que presenta la mayor cantidad de valores

mínimos de drift, lo que hace que bajo este parámetro de respuesta sea el que tiene un mejor

comportamiento.

C1.2.3 ACELERACIÓN ABSOLUTA DE LA SUPERESTRUCTURA.

Anexo C

233

Respuesta de Aceleración en Y del Edificio Vanguardia,Registro Llolleo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Aceleración (g)

Niv

el d

e Pi

so

HDR LRB+HDR

Fig. C1.5 Respuesta en altura del Edificio Vanguardia de las aceleraciones absolutas, en cada

dirección aplicando el registro de Llolleo.

El comportamiento con el registro de Llolleo desde el punto de vista de las aceleraciones

absolutas es casi idéntico al caso de Melipilla, produciéndose en ambos casos una importante

reducción de las aceleraciones de los niveles del edificio, y ya que el input de aceleración en el

suelo es parecida para los dos casos, la magnitud de las reducciones son prácticamente

equivalentes, siendo levemente menores los valores de la aceleración para el caso de Llolleo.

Los sistemas de aislación logran filtrar aproximadamente un 90 % de la aceleración que le

entrega el suelo a la estructura. Otra característica beneficiosa que se presenta con el registro de

Llolleo (al igual que con el registro de Melipilla) es que existe poca amplificación en altura de

las aceleraciones para los dos sistemas, siendo más marcado este hecho para el sistema HDR.

Para un mayor detalle y conocimiento de la respuesta en la figura C1.6 se presenta la respuesta

en el tiempo para las dos direcciones de análisis de las aceleraciones absolutas.

Anexo C

234

Fig. C1.6 Respuesta en el Tiempo de la Aceleración Absoluta del Edificio Vanguardia, Registro

de LLolleo.



Anexo C

235

Nuevamente se comprueba el efecto positivo que genera sobre el incluir un sistema de aislación

sobre las aceleraciones absolutas, ya que su disminución es notoria y sostenida en el tiempo

respecto a un edificio tradicional.

Para nuestro caso analizado con el registro de Llolleo presentó un comportamiento muy similar

al de Melipilla, de hecho los valores máximos de aceleración absoluta en los diferentes niveles

no fue muy significativa, presentándose en general para Llolleo valores levemente más bajo, esto

se puede deber a que los registros tienen un input parecido en lo que a aceleración se refiere.

Además se mantuvo la característica de similitud de las respuestas de estos dos sistemas en la

forma y en el tiempo. Analizando comparativamente las respuestas se observa que para la

Anexo C

236

Respuesta del Corte Basal del Edificio Vanguardia en X, Registro Llolleo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400 500 600

Corte Basal (Ton)

Niv

el

HDR LRB+HDR

dirección X, las diferencias son mínimas, y prácticamente los valores máximos de las

aceleraciones absolutas son iguales en los dos sistemas, con valores cercanos a los 0.6g, en la

dirección Y se ve una tendencia más marcada a favor del sistema HDR, ya que en todos los

niveles presento valores de aceleración menores que el sistema mixto, en general en esta

dirección el sistema mixto tuvo aceleraciones absolutas un poco mayores que 0.4g en cambio el

sistema HDR presentó aceleraciones absolutas levemente superiores a 0.2g.

Con todo lo anterior se llega a la misma conclusión que para Melipilla, existe una buena

respuesta de los dos sistemas, pero existen algunas ventajas que hacen preferir el sistema

conformado por aisladores HDR.

C1.2.4 ESFUERZO DE CORTE EN LA SUPERESTRUCTURA.

Anexo C

237

Respuesta de Corte Basal del Edificio Vanguardia en Y, Registro Llolleo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400 500

Corte Basal (Ton)

Niv

elHDR HDR+LRB

Fig. C1.7 Respuesta en altura del Edificio Vanguardia para los cortes basales, en cada dirección

aplicando el registro de Llolleo.

El registro de Llolleo genera una menor demanda de esfuerzo de corte basal que el caso de

Melipilla, ya que para este caso los valores máximos de corte basal son cercanos a las 500 ton.

Respecto al comportamiento de este parámetro se puede mencionar que nuevamente el efecto de

aislación reduce el esfuerzo de corte en la base como en los distintos niveles respecto a valores

típicos para una estructura como la estudiada; la respuesta en altura es la común y similar a lo

que sucede con Melipilla, salvo por el hecho que en la dirección X el corte basal mínimo lo

entrega el sistema mixto, para luego en la distribución en altura equipararse y en varios pisos

superiores ser el sistema HDR el que entrega menores valores de esfuerzo de corte en el piso, el

comportamiento en la dirección Y es semejante a Melipilla, siendo tanto en el corte basal total

como en su distribución en altura menor para el sistema HDR. Para entregar mayores

antecedentes en la figura C1.8 se muestra la respuesta en el tiempo de los esfuerzos de corte.

Anexo C

238

Fig. C1.8 Respuesta en el Tiempo del Corte Basal del Edificio Vanguardia, Registro de Llolleo



Anexo C

239

De las curvas expuestas se puede observar que el comportamiento en cuanto a la morfología de

las curvas es bastante parecida al caso de Melipilla, siendo evidente la influencia que tienen los

sistemas elastoméricos sobre el corte basal, ya que prácticamente independiente del registro

presentan una forma similar. También la respuesta en el tiempo no presenta singularidades,

Anexo C

siendo un tipo de comportamiento esperado y deseable, para los dos sistemas de aislación.

Nuevamente la respuesta en el tiempo es semejante tanto cualitativamente como

cuantitativamente para el sistema HDR como mixto. Las curvas sirven para confirmar lo

mencionado anteriormente, ya que en la dirección X, los valores máximos de esfuerzo de corte

son menores en el sistema mixto para los primero pisos, para que luego en los pisos superiores

sea el sistema HDR quien presente esta característica, además tanto en el grafico del perfil de los

esfuerzo de corte como en el de la respuesta en el tiempo se aprecia que la diferencia de valores

no es muy significativa, siendo esto también valido para el esfuerzo de corte basal total; en la

dirección Y se aprecia que los valores de este parámetro son menores tanto en magnitud como en

el tiempo para el sistema HDR. Finalmente evaluar que sistema era más adecuado desde el punto

de vista de los esfuerzos de corte fue un poco más complicado que para el caso de Melipilla,

inclinándose por el sistema HDR.

El análisis en el tiempo del edificio Vanguardia con el registro de Llolleo fue positivo, porque

permitió, a través de los parámetros en estudio, confirmar el buen desempeño y niveles de

respuesta que entrega la aislación basal al edificio con otro escenario sísmico, además se pudo

observar que tanto el sistema HDR como el Mixto son capaces de entregar un comportamiento

más que adecuado con una alta protección sísmica del edificio Vanguardia. Al momento de

evaluar que opción es la más adecuada para el registro de Llolleo, los resultados hacen inclinar la

balanza hacia el sistema de aislación conformado por HDR, respaldando la elección hecha con el

registro de Melipilla, confirmando que para la configuración del edificio Vanguardia y los

requerimientos deseados el mejor sistema de aislación es el HDR.

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Aislación Sísmica de un Edificio de Oficinas de Siete Pisos. (Análisis ...

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