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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?


1. Introducción – Protección Sísmica (TCRS)

2. Fundamentos de Aislamiento Sísmico para

Puentes

3. Presente: situación actual en Colombia


Armenia, 1999

Cali, 2016

México, 2017


Qué se espera para el caso de Puentes?

CCP-14

Desempeño Sísmico - Diseño sísmico convencional -

Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas de sismo, y para disipar energía sin colapsar (aceptación de daño).

Columnas – Pilares (subestructura)

Movimiento Sísmico

Superestructura

Estribo

Apoyos

Estribo

Cimentación Cimentación


Las columnas se proyectan para soportar la carga vertical y cargas de sismo, y para disipar energía sin colapsar (aceptación de daño).


Pérdida de funcionamiento! Pérdida de la estabilidad y colapso!

Desempeño inaceptable!


Las columnas, vigas y muros se proyectan para soportar la carga vertical y cargas de sismo. La disipación de energía se concentra generalmente en las vigas (aceptación de daño).

Movimiento Sísmico

Protección contra Terremotos - Objetivo de las TCRS -

Las Técnicas de Control de Respuesta Sísmica (TCRS) han sido desarrolladas como una alternativa al diseño convencional para un mejor control de la deformación lateral y del daño sísmico, otorgando así un mayor nivel de seguridad sísmico a las estructuras, a sus componentes y operación.

Building

swaying

slowly

Building

shaking

violently

Estructura vibrando suavemente

No day daños

Estructura vibrando

fuertemente

Daños considereables


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


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

Simulacion Nunoa Capital.avi

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.


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


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


MONO DUPLO

Componentes MONO

Componentes DUPLO D>300mm

Aisladores péndulo de fricción

TRIPLE


Amortiguadores

Junta de Expansión

Deslizador


∆𝑇= ±600 𝑚𝑚 160𝑚𝑚 ≤ ∆𝐿≤ 2000 𝑚𝑚

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


Fuerz

a s

ísm

ica

Deformación

Zona elástica

Zona inelástica

Falla

Est. Convencional Est. Aislada Est. con Disipación


•Aislar/desacoplar la edificación de los movimientos del suelo

•Soportar la carga vertical de la edificación

•Amortiguar la respuesta de la edificación

•Volver a la posición original después de un terremoto

•Muy rígidos (fuertes) en sentido vertical

•Muy flexibles (suaves) en sentido horizontal

Requisitos de los dispositivos de aislamiento:


Movimientos del terreno:

Sismo de Diseño (DE) Sismo Máximo (MCE)

Edificación 10%/50, TR:475 años 2%/50, TR:2500 años

Puente 7%/75, TR:1000 años Mín: 7%/75, TR:1000 años Máx: 2%/75, TR:3700 años


•Condiciones de servicio Viento, temperatura, cargas impuestas, etc. •Condiciones bajo sismo de diseño (DE)

Diseño de la subestructura y superestructura No se permite levantamiento en aisladores Pilares elásticos / superestructura rígida elástica Límites de deriva y aceleraciones acordes con el desempeño esperado

•Condiciones bajo el sismo máximo considerado (MCE) Diseño y revisión de la integridad del sistema de aislamiento No se permite levantamiento en aisladores Comportamiento esencialmente elástico Se permite daño pero no colapso Revisión del “gap” para libre movimiento


Espectro de diseño: AASHTO

Reducción por amortiguamiento adicional


Factor de reducción por amortiguamiento B:

AASHTO


Factor R:

•Tendencia para eliminar trabajo inelástico en la estructura.

•La inelasticidad en la estructura modifica la respuesta del sistema aislado.

•Trabajo elástico o esencialmente elástico NO es un deseo, ES UNA NECESIDAD para el desempeño apropiado.


Factor R:

Edificación Puentes

R= 3/8 RO ≤ 2.0

R=1.0 subestructura

R=1.0 críticos

1.0 < R < 1.50 esenciales

R=1.5 otros


Métodos de análisis para puentes:

•Método de análisis de un sólo modo •Método de análisis dinámico multimodo •Método de análisis dinámico cronológico

Métodos de análisis para edificaciones:

•Método de análisis FHE •Método de análisis dinámico espectral •Método de análisis dinámico cronológico

Recomendación: Análisis dinámico espectral para el diseño Análisis dinámico cronológico no lineal para verificación


0.80Teff

Períodos aislados b>5%, B>1.0

Demás períodos b=5%, B=1.0

Teff

Método de análisis dinámico multimodo / dinámico espectral


Método de análisis dinámico cronológico

•Se incorporan características no lineales de los dispositivos de aislamiento sísmico. Estructura lineal o no lineal. •Se usa un conjunto de no menos 7 pares de registros de aceleración, ajustados al espectro del sismo DE (norma/sitio). •Se usa el mismo conjunto para la revisión bajo el sismo MCE. •Se emplea para revisiones no lineales de todos los componentes del puente o de la edificación, para la validación el desempeño sísmico especificado en los criterios de diseño.

Recomendación: Siempre se debe hacer una verificación no lineal de la estructura. Para mi concepto: obligatorio!

Aislamiento Sísmico - Ejemplo -

Laboratorios de Ciencias, Universidad EAFIT, Medellín



Resistencia sísmica: estructura en concreto

Fachada: diagrid metálico

Proyecto completo



Interfaz de aislamiento: debajo de la primera losa

12 aisladores + deslizadores

Subestructura: columnas del sótano


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


Articulaciones en la base de columnas

Entramado de vigas en acero se cambio a concreto. Mayor rigidez

torsional

Comportamiento adecuado de la fachada




Sin aislamiento Con aislamiento


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

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5

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8

Can

t. P

roye

cto

s

Puentes con aislamiento sísmico

Muchas Gracias !!!

Ing. Juan Andrés Oviedo A., PhD

SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS

Referencias

Seismic Isolation and Supplemental Energy Dissipation, Bridge Engineering Handbook, CRC Press, 2000

LRFD-Based Analysiis and Design Procedures for Bridge Bearings and Seismic Isolators, Technical Report MCEER-11-0004, 2001

Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 2010

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