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Aislamiento Sísmico de Edificaciones y Puentes
- Consideraciones Fundamentales
de Diseño y Desempeño -
Ing. Juan Andrés Oviedo A., PhD
SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS
Contenido
1. Introducción: protección sísmica, TCRS, desempeño
sísmico
2. Fundamentos de Diseño y Desempeño
Desempeño Sísmico - Filosofía -
1. Introducción – Protección Sísmica (TCRS)
2. Fundamentos de Aislamiento Sísmico para
Puentes
3. Presente: situación actual en Colombia • Qué se espera para edificaciones indispensables?
• Qué se espera para edificaciones de grupo de uso III?
• Se está alcanzando el nivel de desempeño esperado para estas edificaciones?
Desempeño Sísmico - Filosofía -
1. Introducción – Protección Sísmica (TCRS)
2. Fundamentos de Aislamiento Sísmico para
Puentes
3. Presente: situación actual en Colombia
Desempeño Sísmico - Diseño sísmico convencional -
Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas de sismo, y para disipar energía sin colapsar (aceptación de daño).
Columnas – Pilares (subestructura)
Movimiento Sísmico
Superestructura
Estribo
Apoyos
Estribo
Cimentación Cimentación
Desempeño Sísmico - Diseño sísmico convencional -
Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas de sismo, y para disipar energía sin colapsar (aceptación de daño).
Desempeño Sísmico - Diseño sísmico convencional -
Pérdida de funcionamiento! Pérdida de la estabilidad y colapso!
Desempeño inaceptable!
Desempeño Sísmico - Diseño sísmico convencional -
Las columnas, vigas y muros se proyectan para soportar la carga vertical y cargas de sismo. La disipación de energía se concentra generalmente en las vigas (aceptación de daño).
Movimiento Sísmico
Protección contra Terremotos - Objetivo de las TCRS -
Las Técnicas de Control de Respuesta Sísmica (TCRS) han sido desarrolladas como una alternativa al diseño convencional para un mejor control de la deformación lateral y del daño sísmico, otorgando así un mayor nivel de seguridad sísmico a las estructuras, a sus componentes y operación.
Building
swaying
slowly
Building
shaking
violently
Estructura vibrando suavemente
No day daños
Estructura vibrando
fuertemente
Daños considereables
Protección contra Terremotos - Objetivo de las TCRS -
•Control(reducción) sobre desplazamiento lateral (derivas) •Control(reducción) sobre la aceleración de piso •Control sobre el desempeño esperado
Protección contra Terremotos - Objetivo de las TCRS -
Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas de sismo, sin presentar daño estructural y “garantizando” la operación del puente.
Cuál desempeño es mejor para nuestra infraestructura?
Para el caso de puentes:
Desempeño Sísmico - Ecuación básica de diseño -
Factor de seguridad
Capacidad –> Resistencia elementos
Demanda –> Fuerza del sismo
> 1.0
Diseño convencional: aumentar la capacidad
(ductilidad, rigidez)
Diseño con TCRS: disminuir la demanda
(sobre la estructura)
=
Desempeño Sísmico - Estados límites -
Estado límite de resistencia protege: Fluencia, fractura, inestabilidad, pandeo
Estado límite de servicio protege: Operación, vibración, funcionalidad, confort, corrosión
Las TCRS se enfocan eficiente y directamente en esta protección !!!
Contenido
1. Introducción: protección sísmica, TCRS, desempeño
sísmico
2. Fundamentos de Diseño y Desempeño
Principios de Aislamiento Sísmico - Concepto básico : desacople del suelo -
con globos?
fuerza magnética?
con ruedas?
con deslizamiento?
terremoto
Principios de Aislamiento Sísmico - Concepto básico : recentrado -
terremoto
con resortes con geometría
Principios de Aislamiento Sísmico - Concepto básico : amortiguamiento -
amortiguador/disipador
tiempo desp
laza
mie
nto
Con amortiguamiento adicional
terremoto
amortiguamiento adicional: disipadores y/o aisladores
Principios de Aislamiento Sísmico - Efecto del aislamiento sísmico -
Video cortesía: Ing. René Lagos
Principios de Aislamiento Sísmico - Reducción de la demanda de aceleración -
La reducción depende altamente de la forma espectral.
Recomendación: Se debe hacer estudio de sitio
Principios de Aislamiento Sísmico - Aumento de la demanda de desplazamiento -
El incremento depende altamente de la forma espectral.
Recomendación: Se debe hacer estudio de sitio
Principios de Aislamiento Sísmico - Influencia del amortiguamiento -
Recomendación: Amortiguamiento adecuado para controlar los desplazamientos
Principios de Aislamiento Sísmico - Influencia del suelo -
Estructuras aislados sísmicamente y localizadas sobre suelos blandos pueden INCREMENTAR, en vez de REDUCIR, la demanda de aceleración.
Aumento del período
Recomendación: Se debe hacer estudio de sitio
Principios de Aislamiento Sísmico - Influencia del suelo -
Estructuras aislados sísmicamente y localizadas sobre suelos blandos pueden presentar grandes desplazamientos.
Recomendación: Juntas de expansión y aisladores competentes
Aumento del período
Principios de Aislamiento Sísmico - Rigidez de la estructura -
Puentes aislados sísmicamente soportados sobre pilares largos y flexibles, y edificaciones muy altas generan poca eficiencia para el sistema de aislamiento sísmico. Su periodo ya es suficientemente largo.
Sin embargo, qué pasa con las aceleraciones de piso y en el tablero?
- Pilares Altos -
Principios de Aislamiento Sísmico - Rigidez de la estructura -
Edificaciones esbeltas son susceptibles de problemas de momento de vuelco y tracción en las unidades de aislamiento.
H
L
Recomendación: H/L < 5.0 - 6.0 Tiso > 2.0 - 3.0 Tfixed
Períodos aislados traslaciones sean dominantes No se permite tracción en los aisladores/deslizadores
Principios de Aislamiento Sísmico - Protección del daño -
•En estructuras convencionales no es posible reducir desplazamiento lateral y aceleración de piso simultáneamente. •En estructuras aisladas sísmicamente si!
Ace
lera
ción
Deformación
Est. convencional
Incremento del daño
Est. aislada
Principios de Aislamiento Sísmico - Condiciones ideales para AS-
•En puentes/edificios localizados en suelos de rigidez media y alta. •En puentes con pilares (subestructura) rígidos. Es decir, no tan largos. •En puentes proyectados con superestructuras continuas. •En edificaciones rígidas, de periodo fundamental pequeño. •En todo tipo de puente o edificación donde se quiera aumentar el desempeño sísmico y proteger su operación.
Principios de Aislamiento Sísmico - Implicación en el diseño -
Aislamiento sísmico
Aislamiento sísmico, disipación de energía
•Fuerzas de diseño por aumento del período
•Fuerzas de diseño por aumento de amortiguamiento
Reducción en: Aceleración de piso Derivas
Principios de Aislamiento Sísmico - Tipología de estructuras -
•Edificaciones gubernamentales, estaciones de bomberos, estaciones
de policía, edificios de telecomunicaciones.
•Hospitales, instituciones de atención de la tercera edad
•Institutos de investigación, centros de cómputo y datos.
•Todos los puentes
•Galerías de arte, museos y bibliotecas
•Plantas nucleares, estructuras de almacenamiento de materiales
peligrosos
•Sitios de interés cultural e histórico
•Edificaciones residenciales
Qué tipo de uso es apto para aislamiento?
Principios de Aislamiento Sísmico - Ubicación interfaz de aislamiento -
Dispositivos para
aislamiento
•Aislamiento en la base •Aislamiento a media altura (no hay suficiente espacio, excavación no es posible)
Principios de Aislamiento Sísmico - Ubicación interfaz de aislamiento -
Columnas – Pilares (subestructura)
Superestructura
Estribo
Aisladores
Estribo
Cimentación Cimentación
Juntas especiales
•Aislamiento debajo del tablero del puente (lo mas frecuente) •Aislamiento en la base de los pilares (en caso de pilares cortos)
Aislamiento Sísmico - Dispositivos -
Núcleo de Plomo-LRB Alto amortiguamiento-HDRB
Componentes LRB Componentes HDRB
Aislamiento Sísmico - Dispositivos -
MONO DUPLO
Componentes MONO
Componentes DUPLO D>300mm
Aisladores péndulo de fricción
TRIPLE
Aislamiento Sísmico - Instalación de dispositivos -
• Mano de obra calificada • Supervisión de la calidad de instalación
• Condiciones especiales de obra • Equipos adecuados
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Intensidad Sísmica Est. Convencional Est. Aislada
Leve Poco o sin daño Sin daño
Moderada Daño menor Sin daño
Fuerte Daño, operatividad puede ser reestablecida con
reparaciones
Poco o sin daño, operatividad continuada
Severa Daño extendido en casi todos los elementos, reparaciones
mayores, colapso
Daño menor, operatividad puede ser reestablecida
con reparaciones menores
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Fuerz
a s
ísm
ica
Deformación
Zona elástica
Zona inelástica
Falla
Est. Convencional Est. Aislada Est. con Disipación
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
•Aislar/desacoplar la edificación de los movimientos del suelo
•Soportar la carga vertical de la edificación
•Amortiguar la respuesta de la edificación
•Volver a la posición original después de un terremoto
•Muy rígidos (fuertes) en sentido vertical
•Muy flexibles (suaves) en sentido horizontal
Requisitos de los dispositivos de aislamiento:
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Movimientos del terreno:
Sismo de Diseño (DE) Sismo Máximo (MCE)
Edificación 10%/50, TR:475 años 2%/50, TR:2500 años
Puente 7%/75, TR:1000 años Mín: 7%/75, TR:1000 años Máx: 2%/75, TR:3700 años
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
•Condiciones de servicio Viento, temperatura, cargas impuestas, etc. •Condiciones bajo sismo de diseño (DE)
Diseño de la subestructura y superestructura No se permite levantamiento en aisladores Pilares elásticos / superestructura rígida elástica Límites de deriva y aceleraciones acordes con el desempeño esperado
•Condiciones bajo el sismo máximo considerado (MCE) Diseño y revisión de la integridad del sistema de aislamiento No se permite levantamiento en aisladores Comportamiento esencialmente elástico Se permite daño pero no colapso Revisión del “gap” para libre movimiento
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Espectro de diseño: AASHTO
Reducción por amortiguamiento adicional
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Factor de reducción por amortiguamiento B:
AASHTO
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Factor R:
•Tendencia para eliminar trabajo inelástico en la estructura.
•La inelasticidad en la estructura modifica la respuesta del sistema aislado.
•Trabajo elástico o esencialmente elástico NO es un deseo, ES UNA NECESIDAD para el desempeño apropiado.
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Factor R:
Edificación Puentes
R= 3/8 RO ≤ 2.0
R=1.0 subestructura
R=1.0 críticos
1.0 < R < 1.50 esenciales
R=1.5 otros
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Métodos de análisis para puentes:
•Método de análisis de un sólo modo •Método de análisis dinámico multimodo •Método de análisis dinámico cronológico
Métodos de análisis para edificaciones:
•Método de análisis FHE •Método de análisis dinámico espectral •Método de análisis dinámico cronológico
Recomendación: Análisis dinámico espectral para el diseño Análisis dinámico cronológico no lineal para verificación
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
0.80Teff
Períodos aislados b>5%, B>1.0
Demás períodos b=5%, B=1.0
Teff
Método de análisis dinámico multimodo / dinámico espectral
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Método de análisis dinámico cronológico
•Se incorporan características no lineales de los dispositivos de aislamiento sísmico. Estructura lineal o no lineal. •Se usa un conjunto de no menos 7 pares de registros de aceleración, ajustados al espectro del sismo DE (norma/sitio). •Se usa el mismo conjunto para la revisión bajo el sismo MCE. •Se emplea para revisiones no lineales de todos los componentes del puente o de la edificación, para la validación el desempeño sísmico especificado en los criterios de diseño.
Recomendación: Siempre se debe hacer una verificación no lineal de la estructura. Para mi concepto: obligatorio!
Aislamiento Sísmico - Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín
Resistencia sísmica: estructura en concreto
Fachada: diagrid metálico
Proyecto completo
Aislamiento Sísmico - Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín
Interfaz de aislamiento: debajo de la primera losa
12 aisladores + deslizadores
Subestructura: columnas del sótano
Aislamiento Sísmico - Ejemplo -
Soporte de fachada: “colgada”, soportada desde la última losa + piso a piso
Aislamiento Sísmico - Ejemplo -
Articulaciones en la base de columnas
Entramado de vigas en acero se cambio a concreto. Mayor rigidez
torsional
Comportamiento adecuado de la fachada
Aislamiento Sísmico - Ejemplo -
Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín
Sin aislamiento Con aislamiento
Aislamiento Sísmico - Filosofía de diseño y desempeño -
Sistemas convencionales
Sistemas con TCRS
En diferentes normativas están las condiciones para la aplicación de cada tipo de análisis.
Aislamiento Sísmico - Marco normativo en Colombia -
No existen especificaciones
directas ni indirectas!
A.3.8 y A.3.9 FEMA 450 ASCE 7-05
Comité AIS-700 Norma AIS-700-19
Actualización NSR-10
Aislamiento Sísmico - Estado de la aplicación en Colombia -
23
12
Tipo de Estructura
Edificación Puente
16
1 1
5
12
Uso de la Estructura
Salud
Vivienda
Industria
Telecom.
Educativo
Vial
Levantamiento realizado por el Comité AIS-700
Aislamiento Sísmico - Estado de la aplicación en Colombia -
Levantamiento realizado por el Comité AIS-700
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Can
t. P
roye
cto
s
Puentes con aislamiento sísmico