Durante la ltima dcada el concepto de aislacin ssmica ha comenzado a ser considerado

seriamente como una alternativa en el diseo sismorresistente de estructuras, especialmente

en aquellos casos en que se busca un mejor desempeo ssmico para las estructuras y sus

contenidos. El excelente desempeo que las estructuras aisladas han tenido durante los

sismos. Estos avalan las bondades de esta alternativa en cuanto a aumentar considerablemente el nivel de seguridad para las personas y la operabilidad de la estructura despus de un sismo.

Actualmente, los conceptos de aislacin ssmica se ensean como parte del currculo de

Ingeniera Civil en la mayora de las Universidades mundialmente reconocidas,

innumerables investigaciones se han desarrollado para demostrar la eficiencia de la

aislacin ssmica como una tcnica sismorresistente, y numerosos dispositivos de aislacin

estn comercialmente disponibles para su implementacin en la prctica.

Consecuentemente, se ha desarrollado una creciente necesidad de suplementar los cdigos

ssmicos actualmente vigentes con requerimientos especficos para estructuras aisladas.

Esta necesidad es compartida por los organismos encargados de la construccin y el

pblico en general.Los primeros esfuerzos en la direccin de un cdigo para el diseo de estructuras aisladas

ssmicamente fue publicado por el SEAOC (Structural Engineering Association of

California), reconociendo la necesidad de lograr un documento que represente una

opinin consensuada.Por otra parte, el Consejo de Seguridad Ssmica para Edificios encomend la incorporacin

de requerimientos para el diseo de estructuras con aislacin ssmica y disipacin de

energa.. REQUERIMIENTOS DE DISEO PARA ESTRUCTURAS AISLADAS

Es condicin esencial de una estructura aislada el que su desempeo objetivo no solo

involucre la proteccin de la vida durante un sismo severo sino tambin la reduccin del

dao de la estructura y sus contenidos. De esta forma, los requerimientos de diseo que se

presentan en este documento son una combinacin de ambos objetivos: proteccin a la vida

y reduccin del dao.

Como punto de partida, estos requerimientos definen dos niveles ssmicos:Un nivel ssmico de diseo (SDI).

Un nivel ssmico mximo posible (SMP).El sismo de diseo coincide con el nivel utilizado comnmente en el diseo de estructuras convencionales consistente con una probabilidad de excedencia de 10% en 50 aos.El sismo mximo posible corresponde al mximo nivel de movimiento del suelo que puede ocurrir dentro del marco geolgico conocido y ha sido definido como el nivel que tiene una probabilidad de excedencia de un 10% en un perodo de 100 aos.

Estos niveles de riesgo, que son consistentes con la tendencia mundial en los cdigos de

aislacin ssmica, son distintos a los utilizados en la actual norma chilena NCh433 lo

que ser reflejado a travs de un espectro de diseo que difiere del contenido en dicha

norma. El nuevo espectro deber reflejar adems un nivel de seguridad superior para el

sistema de aislacin debido a que su falla compromete necesariamente la estabilidad

vertical de la estructura completa.

Para el diseo de estructuras aisladas se requiere que:

El sistema de aislacin sea capaz de sostener sin falla las deformaciones y cargas correspondientes al SMP. Anlogamente,cualquier sistema que cruce la interfaz de aislacin debe ser diseado para acomodar el desplazamiento correspondiente al SMP. Estas recomendaciones buscan adems que la superestructura permanezca esencialmente elstica durante el sismo de diseo, a diferencia de los requerimientos para estructuras con base fija que buscan alcanzar solo un nivel de proteccin razonable para fallas estructurales mayores y prdida de vidas, sin preocuparse en limitar el dao o mantener las funciones dela estructura. La seguridad a la vida se provee entonces a travs de requerir que el sistema tenga una ductilidad adecuada para lograr esa reduccin, y permanezca estable bajo la carga gravitacional sin dao masivo o falla para desplazamientos que exceden con creces el lmite de fluencia del sistema. Sin embargo, en un evento mayor, dao a elementos estructurales, componentes no estructurales, y contenidos, son muy probables en una estructura convencional.

Para una estructura convencional, su sobrevivencia para el SMP no se verifica

explcitamente, y se maneja implcitamente a travs de mayor ductilidad a conseguir

mediante el apropiado detallamiento de los elementos.

En estructuras aisladas la verificacin del desempeo de la estructura para el SMP debe realizarse analtica y experimentalmente. El criterio detrs de esta verificacin es proveer evidencia que en el peor escenario ssmico posible, la estructura aislada es al menos tan segura como la estructura convencional. Es importante notar que los aisladores friccionales o elastomricos convencionales utilizados permiten alcanzar sin mayor dificultad el nivel de diseo correspondiente al SMP.

Primer Hospital Aislado en Sudamrica (Centro San Carlos, de la Universidad Catlica)

De acuerdo con los requerimientos indicados en esta proposicin, el diseo de una

estructura cumple con los siguientes objetivos de desempeo:

(1) Resistir sismos pequeos y moderados sin dao en elementos estructurales,

componentes no estructurales, y contenidos del edificio.

(2) Resistir sismos severos sin que exista: (a) falla del sistema de aislacin.

(b) Dao significativo a los elementos estructurales (c) Dao masivo a elementos no estructurales (d) Interrupcin de la operabilidad de la estructura.

Para cumplir con estos objetivos, los requerimientos propuestos limitan la respuesta

inelstica de la superestructura a una fraccin menor de lo que se permite para edificios

convencionales. Consecuentemente, el desplazamiento lateral de una estructura durante un

sismo debe ocurrir en la interfaz de aislacin y no en la superestructura. En un edificio

convencional sin aislacin, la estructura vibra como consecuencia del movimiento del suelo. Si esta vibracin excede un cierto nivel, se produce dao en la estructura y sus contenidos. Por el contrario, en el edificio aislado los aisladores acomodan la deformacin impuesta por el sismo, reduciendo el movimiento que se traspasa hacia la estructura.

Los objetivos de desempeo establecidos arriba exceden considerablemente a aquellos de

estructuras convencionales en sismos moderados y severos.

Construccin del Edificio San Agustn de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Catlica

PROYECTOS DE EDIFICACIN CON AISLACIN SSMICA EN CHILE

A la fecha existen cuatro edificios con aislacin ssmica en Santiago:

(a) Conjunto habitacional Comunidad Andaluca, en la calle Lord Cochrane, diseado y

construido entre los aos 1991 y 1992 dentro del marco de un estudio de la Universidad de Chile.

(b) El centro mdico San Carlos de Apoquindo de la Universidad Catlica de Chile

construido durante el ao 2000.

(c) Edificios contiguos San Agustn (2002)

(d) Hernn Briones (2003) de la Escuela de Ingeniera en el Campus San Joaqun de la Universidad

Catlica.

El primero de ellos es un edificio de vivienda social estructurado en base a muros de

hormign armado en su primer piso y de albailera confinada en los otros tres, con 240 m2

distribuidos en 4 plantas y que cuenta con 6 aisladores elastomricos de alto

amortiguamiento. El segundo, es un edificio de aproximadamente 8000 m2 distribuidos en seis pisos, y estructurado en base a marcos dctiles de hormign armado. El edificio se encuentra aislado al nivel de cielo del subterrneo con 52 aisladores de alto amortiguamiento, 22 de los cuales cuentan con corazn de plomo. El tercero es un nuevo edificio de cinco pisos de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Catlica de Chile que cuenta con 42 aisladores elastomricos de alto amortiguamiento y 14 aisladores friccionales. El edificio, de una planta de 6000 m2 aproximadamente, est estructurado en base a un sistema dual de muros de hormign armado y marcos gravitacionales. El sistema de aislacin se ubica en este caso directamente sobre las fundaciones. El cuarto que es contiguo al tercero amplindolo en 1900 m2, fue construido con posterioridad, con una estructuracin similar. Los ltimos tres edificios fueron diseados en base al cdigo de aislacin ssmica UBC 1997 en zona ssmica mxima y verificados para una familia de sismos chilenos. Los aisladores de todos estos edificios fueron fabricados en Chile por la empresa VULCO S.A.

Comparacin de la Respuesta de un Edificio Sin Aislacin Basal y uno Con Aislacin Basal

Aisladores:

Aisladores ssmicos elastomricos, algunos de ellos con corazn o relleno de plomo, otros elastomricos de bajo amortiguamiento (LDR) y alto amortiguamiento (HDR), el aislador de pndulo friccional y los deslizadores tefln-acero (PTFE).

Aislador del Edificio San AgustnPREGUNTAS FRECUENTES SOBRE AISLACIN SSMICA

1. Qu se entiende por aislacin ssmica?

Aislacin ssmica es una tcnica de diseo sismorresistente que busca reducir la

energa que entra a una estructura durante un sismo a travs de colocar dispositivos muy

flexibles horizontalmente (aisladores) entre las fundaciones de un edificio o puente, y la

estructura arriba de ellos. El efecto que se busca es que el suelo se mueva y la estructura

permanezca esencialmente quieta.

2. Cul es el objetivo de la aislamiento ssmica?

Los objetivos principales son dos: (a) mayor seguridad ssmica de la estructura (y por

ende de las personas) a travs de la minimizacin o incluso eliminacin de daos en ella, y

(b) salvaguardar los contenidos de la estructura manteniendo el funcionamiento de ella

despus del sismo.

3. Cunto ms segura es una estructura aislada ssmicamente?

En general una estructura aislada es al menos 5 veces ms segura que una estructura

convencional fija al suelo. De hecho, los esfuerzos producidos por el sismo en la estructura

con aislacin ssmica son del orden de 10 veces ms pequeos que los de una estructura

anloga fija al suelo. Esta reduccin de esfuerzos es la que implica que la estructura

permanecer sin dao incluso durante un sismo de grandes proporciones.

4. En qu se diferencia esta nueva tcnica del diseo actual de estructuras

antissmicas?

El concepto de estructura antissmica no es correcto porque cualquier edificio en Chile

(y cualquier otro pas ssmico) est diseado por razones de costo para que sufra dao ante

un sismo severo. La filosofa de diseo dice que no debe colapsar, pero puede quedar

seriamente daado. Para comprobar que los daos son extensos, y que adems la seguridad

no queda en realidad garantizada, basta observar lo ocurrido con los edificios de Los

Angeles (Northridge, 1994), Japn (Kobe 1995), Turqua (1999), Grecia (1999), y Taiwn

(1999). Un edificio convencional no compite en seguridad con uno aislado, y mucho menos

en costo de siniestralidad.

5. Existen edificios aislados de importancia en Chile ?

Hay ya tres edificios mayores con aislacin ssmica y uno en etapa de proyecto. El

primero es el Centro Mdico de la Universidad Catlica en Camino del Alba con San

Carlos de Apoquindo (8000 m2

). El segundo el Edificio San Agustn de la Escuela de Ingeniera, en el Campus San Joaqun de la Universidad Catlica (6000 m2

). Y el tercero es

el Edificio Hernn Briones, contiguo al anterior, y tambin de la Escuela de Ingeniera

(1900 m2

). En etapa de construccin est el nuevo Hospital Militar de La Reina que contar

con un muy importante y extenso sector (41000 m2

) aislado ssmicamente. Tambin hay

puentes con aislacin ssmica (p.ej., Rodelillo, Marga-Marga, Ro Blanco).

Fig. 5 Ensayo de un Aislador en el Laboratorio de Dinmica Estructural de la Universidad Catlica

6. Por qu no existen ms edificio en Chile con aislamiento ssmica si la tcnica es

tan atractiva?

La razn principal es un retraso en el desarrollo tecnolgico. Edificios con aislamiento

ssmica son comunes en pases desarrollados y experimentaron un comportamiento muy

exitoso durante los devastadores terremotos de Kobe y Northridge. Slo en Japn se

construyeron ms de 80 hospitales y 400 edificios con aislamiento ssmica entre 1997 y

1998. Sin embargo, el diseo de estructuras con aislamiento ssmica requiere de

profesionales capacitados en esta nueva tcnica que est en proceso de transferencia a la

prctica chilena. Tambin incide el desconocimiento y el temor al cambio por parte de los

potenciales usuarios. 7. Dnde se fabrican los dispositivos de aislacin?

Existen numerosos proveedores de aisladores ssmicos en el mundo entre los que se

encuentran Bridgestone (Japn), Andr (Inglaterra), Skellerup-Oiles (Nueva Zelandia), DIS

(Estados Unidos), y VULCO (Chile).

8. Cul es el costo del sistema de aislamiento ssmica?

El costo del sistema de aislamiento es tpicamente del orden de 0.5 a 1.0 UF/m2

,

dependiendo de la solucin adoptada. Este costo se compensa varias veces si en el anlisis

econmico se considera que en la alternativa sin aislacin la estructura, los elementos no

estructurales (las terminaciones), y los contenidos, afrontarn elevados costos de reparacin

o sustitucin cuando ocurra sismo de gran intensidad que con casi certeza van a

experimentar. Es importante recordar que en los edificios el costo las terminaciones supera

al de la estructura, y que en muchos casos el valor de los contenidos es muy superior al de

la estructura. Por otra parte, el hecho que la estructura tenga esfuerzos 10 veces menores

puede llegar a permitir ahorro en costos directos de construccin; lograrlo depende en gran

medida de una coordinacin oportuna entre la Arquitectura e Ingeniera del proyecto.

9. Qu ocurre con los ductos de instalaciones que cruzan el nivel de aislacin?

Existen numerosas soluciones de conexiones flexibles (muy sencillas y baratas tales

como un doble codo) que permiten acomodar las deformaciones entre el suelo y el edificio.

Soluciones de este tipo han sido implementadas en el Centro Mdico San Carlos de la

Universidad Catlica y en los edificios San Agustn y Hernn Briones de la Escuela de

Ingeniera, en el Campus San Joaqun.

10. Cul es la duracin de los sistemas de aislacin?

Los aisladores estn garantizados por una vida til de 50 aos mnimo. El diseo se

hace proveyendo a los aisladores de una fijacin que les permite ser fcilmente removidos y

cambiados en cualquier momento sin interrumpir el funcionamiento del edificio.

11. Cmo se verifica la calidad de los aisladores?

Los aisladores son ensayados en forma dinmica uno a uno antes de ser colocados en

el edificio. Estos ensayos son extraordinariamente exigentes y permiten garantizar las

propiedades de rigidez y amortiguamiento de los aisladores.

BREVE RESUMEN HISTRICO DE LA AISLACIN SSMICA EN EL MUNDO

Era moderna comienza en Nueva Zelanda en 1970

Primera aplicacin en Japn es de 1982 (casa pequea)

Primera aplicacin en EEUU es de 1985 (San Bernardino)

Antes de 1995 existan 85 edificios aislados en Japn, 35 de los cuales eran de

propiedad de constructoras, centros de investigacin, o de fabricantes de aisladores Durante Kobe (1995), dos estructuras aisladas soportaron el movimiento ssmico sin

problemas (Matsumura-Gumi, WJPSCC)

Durante Northridge (1994), cinco estructuras fueron sometidas a movimientos

significativos (p.e., USC, FCC)

Primer edificio en Chile es en 1992 (Comunidad Andaluca)

Posteriormente al terremoto de Kobe, el crecimiento de la aislacin ssmica en

Japn es abrupto; 20 edificios por mes

Aproximadamente 600 edificios aislados en Japn para 1998

Aproximadamente 40 edificios aislados en EEUU para 1998

Promedio de altura de edificios aislados antes de 1995 era entre 4 y 5 pisos;

actualmente es en promedio mayor a 8 pisos

Primer hospital aislado ssmicamente en Chile, ao 2000

Nuevo Edificio de la Facultad de Ingeniera de la UC, ao 2001

Hospital Militar 2002

Curso optativo en los currculum de Ingeniera de varias universidades en Chile,

desde 1995

DISIPACIN DE ENERGA

Todas las estructuras vibrantes disipan energa producto de esfuerzos internos, rozamiento,

rotura, deformaciones plsticas, etc. Mientras mayor es la capacidad de disipacin de

energa, menor ser la amplitud de las vibraciones. Algunas estructuras tienen muy poco

amortiguamiento, por lo que experimentan grandes amplitudes de vibracin incluso para

sismos moderados. Los mtodos que incrementan la capacidad de disipacin de energa son

muy efectivos para reducir la amplitud de la vibracin.

Los sistemas pasivos de disipacin de energa abarcan distintos de materiales y dispositivos

que mejoran el amortiguamiento, rigidez y resistencia de una estructura. Estos pueden ser

usados tanto para la reduccin de amenazas naturales, como para la rehabilitacin de

estructuras daadas o con estructuras deficientes. En los ltimos aos, se han emprendido

serios esfuerzos para convertir el concepto de disipacin de energa, o amortiguamiento

adicional, en una tecnologa factible y un nmero considerable de estos dispositivos han

sido instalados en estructuras a lo largo de todo el mundo. En general, todos se caracterizan

por su capacidad de mejorar la disipacin de energa de los sistemas estructurales en los

cuales se instalan. Esto puede ser alcanzado ya sea por la conversin de energa cintica en

calor, o por la transferencia de energa entre modos de vibracin. El primer mtodo incluye dispositivos que operan en base a principios tales como la friccin, fluencia de metales, transformaciones de fase en metales, deformaciones de slidos viscoelsticos o fluidos. El segundo mtodo incluye la incorporacin de osciladores adicionales, los cuales actan como absorbedores de vibraciones dinmicas.

ESTRUCTURAS INTELIGENTES

Una de las ms significativas innovaciones tecnolgicas en el campo de la ingeniera

estructural ha sido, sin duda, el desarrollo de las llamadas estructuras inteligentes (EI). Aunque a simple vista son similares a la estructuras convencionales, las EI estn dotadas de un sistema computacional que se encarga simultneamente de monitorear los movimientos del edificio a travs de un sistema de sensores, y de accionar, si es necesario, uno o varios dispositivos electro-mecnicos con el propsito de reducir tales movimientos al mnimo posible. La Figura 6 ilustra esquemticamente este concepto.

Esquema de una Estructura InteligenteLa inteligencia del sistema radica, en primer lugar, en la ubicacin estratgica de los

Dispositivos.

En segundo lugar, en conocer cul es la intensidad de las fuerzas que stos

entregan a la estructura, como tambin el instante en que dichas fuerzas deben aplicarse, de

modo de contrarrestar las fuerzas debidas al sismo.

Existe hoy en da una gran variedad de EI, cuya eficacia ha sido probada por numerosas

investigaciones en todo el mundo. La gran mayora de ellas se encuentran en Japn, donde

existe un incentivo especial para que las empresas inviertan en el desarrollo de nuevas

tecnologas. muestra el amortiguador activo denominado HIDAX, Esquema de Instalacin en un Piso de un Marco Estructuralrecientemente desarrollado por la compaa japonesa Kajima Corporation, lder mundial en

esta fascinante tecnologa.

Es importante resaltar que si bien resulta poco atractivo actualmente usar los tipos ms

sofisticados de EI en Chile por razones de costo, no es menos cierto que algunos tipos muy

simples pero muy eficientes de EI podran ser hoy desarrolladas a un costo muy

competitivo usando nuestra propia tecnologa y conocimientos. Es muy probable que en un futuro prximo, y gracias al constante abaratamiento de la

tecnologa, muchos de los edificios importantes que se construyan en el mundo sean EI.

Seguramente, el mayor costo de tal inteligencia estar en el conocimiento experto que

surge del trabajo mancomunado entre la investigacin cientfica y la industria, lo cual

constituye un gran desafo para la ingeniera y las universidades chilenas.

Aspectos arquitectnicos

Los aspectos arquitectnicos dependen del tipo de disipador

de energa que se instale en la estructura. En general,

los dispositivos de disipacin se distribuyen en toda la altura

de las estructuras, para tomar ventaja de las deformaciones

y velocidades de entrepiso a que se ven sometidas lasde estructurasestructuras durante eventos ssmicos. En estructuras donde

las deformaciones y velocidades de entrepiso son bajas, es

comn utilizar dispositivos que abarcan dos, tres e incluso

ms pisos. Del mismo modo, los dispositivos suelen colocarse

en puntos alejados de los centros de gravedad de las

plantas del edificio, tpicamente fachadas, a fin de mitigar

efectos de torsin en las estructuras.

Los disipadores de energa se encuentran disponibles en

gran variedad de tamaos. Los disipadores viscosos, viscoelsticos,

o friccionales pueden estar ocultos dentro de

muros o tabiques. Los amortiguadores de masa sintonizada

por su parte, que tpicamente se colocan a nivel de techo

de las estructuras, requieren de recintos de mayor tamao

especialmente habilitados para ellos, dimensionados considerando

los desplazamientos mximos de los dispositivos

en caso de sismo severo.

Los disipadores de energa, independientemente de su

tipologa, deben ser instalados en puntos de la estructura

donde puedan ser inspeccionados con posterioridad a sismos

severos, y donde se les pueda dar mantencin en los

casos en que se requiera.

En todas las estructuras donde se utilizan dispositivos de

disipacin de energa, se recomienda considerar su uso desde

las etapas iniciales del proyecto, a fin de mitigar el impacto

en arquitectura de su incorporacin.

Beneficios y limitaciones de uso

Beneficios:

Los dispositivos de disipacin de energa

aumentan el nivel de amortiguamiento de las estructuras,

reduciendo los esfuerzos y deformaciones en ellas y sus

contenidos. Los esfuerzos, aceleraciones y deformaciones

inducidos por un sismo en una estructura con sistemas de

disipacin de energa, pueden ser entre un 15 a 40% menor

que los correspondientes a una estructura sin disipadores,

logrando reducir el dao producido a elementos estructurales

y no estructurales.

Limitaciones de uso:

Algunos tipos de disipadores pueden

requerir ser reemplazados parcial o totalmente luego de

sismos excepcionalmente severos. Del mismo modo, algunos

tipos de disipadores, que si bien reducen las demandas

en la estructura, pueden incrementar la probabilidad de que

se produzcan deformaciones residuales permanentes en las

estructuras.